如果没有中微子，宇宙可能只是一片虚无。然而，这种难以捉摸的粒子不会轻易透露它的秘密。
深层地下中微子实验中中微子的轨迹。质子束在费米实验室的加速器装置中产生，撞击靶标并产生中微子束。中微子束穿过粒子探测器，经过1300千米后到达桑福德地下研究中心的探测器
中微子是一种难以探测的粒子。它不带电荷，几乎没有质量，甚至没有固定的身份：它有三种略微不同的形态，任何一个中微子都会在这三种形态之间不断切换。每秒钟大约有500万亿个中微子飞进你的身体，然后又不着痕迹地离开。中微子对宇宙的其他部分漠不关心。位于伊利诺伊州巴塔维亚的费米实验室深层地下中微子实验（DUNE）项目主管克里斯 · 莫西（Chris Mossey）说：“如果你向一堵一光年厚的铅墙发射一个中微子，那么这个中微子有50%的概率会穿过铅墙而不会发生任何相互作用。”
中微子可能对我们无动于衷，但我们却无法对它们无动于衷。
近七十年来，物理学家精心制作了越来越复杂的装置，试图战胜自然，探测这些看似不可探测的粒子。DUNE探测器是这些设备中最新，也是最先进的一台：耗资32亿美元、总长达1300千米的一组实验装置，旨在以前所未有的方式揭示中微子的踪迹。莫西曾是一名美国海军退役少将，如今与全球超过一千名研究人员共同努力，力争在2031年前让DUNE投入运行。
从表面上看，耗费如此大量的资源去追逐“幽灵”粒子似乎有些疯狂。然而，当你理解中微子代表的意义时，这种对中微子的痴迷就变得合情合理了。莫西说道：“我发现自己经常向同事解释，什么是中微子。”他的专业背景并不是物理学，而是美国海军大型建设项目的工程监理。他乐于重温自己对中微子的学习过程，并说道：“DUNE项目的科学真的令人惊叹。它追寻的是我们试图理解的宇宙最根本的问题：为什么物质会存在？如果能够解答这些问题，那就是诺贝尔奖级别的成果。”
根据目前的物理学理论，宇宙诞生于一片难以想象的炽热、致密能量海洋——也就是大爆炸。这种能量本应当产生等量的物质和反物质，它们本应完美地彼此相互湮灭，最终的结果本应该是一片虚无。然而，令人惊奇的事情发生了：物质粒子的数量以约十亿分之一的比例略微地超过了反物质粒子。这微不足道的不平衡创造了巨大的差异。多余的物质粒子形成了我们看到的星系、恒星、行星，乃至人类。
没错，我们人类差一点不存在。我们是宇宙中的“幸运残留物”，是物理定律中某个未知“漏洞”的意外结果。
中微子的奇特属性，尤其是它能在不同形态间“变换”的能力，或许可以揭示出这种导致物质占据主导地位的关键不对称性。仅仅搞清楚这种不平衡为何以及如何产生，就已经是一个巨大的突破。但中微子可能不仅仅是揭示宇宙早期历史的被动信使。根据某些理论，中微子在物质的诞生过程中也发挥了积极作用，因此与大爆炸之后的一切事物息息相关。于是，这些微小的粒子以及为研究它们而建造的庞大装置，肩负着巨大的使命。
“我们想知道为什么我们在这里——为什么我们存在，”DUNE项目副主管萨姆 · 泽勒（Sam Zeller）说道，“我们非常希望DUNE的研究成果能给出一个明确的答案。”
长期以来，物理学家一直对中微子寄予厚望。事实上，早在人们知道中微子存在之前，他们就已经开始这样做了。
假设成真
从1914年起，英国物理学家詹姆斯 · 查德威克（James Chadwick）开始注意到，某些类型的放射性原子（如碳-14）表现异常。在一种名为β衰变的自发核反应中，原子的核会发射出高速电子。理论上，发射出的电子应该总是以相同的方式出现，携带的能量应当与原子核失去的能量完全一致。然而，实际结果是，电子的能量总是偏小的。更糟糕的是，这种能量差并不一致——有时差得少，有时差得多。
20世纪30年代初的詹姆斯·查德威克
查德威克发现的这种差异蕴含了令人不安的含义：放射性原子似乎违反了能量守恒定律——这是物理学中最基本的定律之一，即能量既不能被创造也不能被毁灭。这个结果如此令人震惊，以至于著名的丹麦物理学家尼尔斯 · 玻尔（Niels Bohr）提出，人们熟悉的物理定律在亚原子尺度上可能不再适用。或许在量子物理学中，能量守恒并不是一条严格的规则，而更像是一种统计平均值。在这种观点下，能量可能在某处消失或创造，只要总体保持平衡即可。
玻尔的许多同事仍然抱有希望，认为查德威克可能是在测量中出现了错误。然而，当查德威克在1922年发布了对β衰变的详尽研究后，这个差异已变得不可否认，而寻找一个解释则变得更加紧迫。
最终，1930年12月，奥地利物理学家和量子理论先驱沃尔夫冈 · 泡利（Wolfgang Pauli）提出了他所谓的“绝望的补救措施”，来拯救能量守恒定律。他的想法非常奇特，以至于他通过一封诙谐的信件将这一想法传达给在德国图宾根开会的一群核物理学家，收信人是“亲爱的放射性女士们和先生们”。泡利提出：在β衰变的瞬间是否可能出现一个看不见、不带电的粒子？这个假设的粒子是否会带走所需的能量，从而确保能量守恒？
当时，物理学家只知道两种亚原子粒子：质子和电子。凭空设想一个全新的、无法探测到的粒子来解释这一奇特的观测结果，似乎和抛弃能量守恒定律一样荒谬。恩里科 · 费米（Enrico Fermi）是少数几名最早认真对待泡利这一想法的人之一，这位意大利裔物理学家后来因创建了第一个核反应堆而闻名。费米为泡利所说的粒子构建了更为完整的理论描述，并在1934年向《自然》杂志提交了一篇阐述其观点的论文。编辑们拒绝了这篇论文，据说是因为“其中的推测过于脱离现实，无法引起读者的兴趣”。
但中微子顽强地存在于理论中。后续的实验表明，β衰变中发射出的电子遵循特定的能量分布，这种分布与看不见粒子的存在相符，而不是无约束地违反能量守恒定律。1938年，《纽约时报》宣称中微子“已不再只是一个假设”，这反映了物理学界的新共识。即便如此，泡利也意识到，他说的粒子将极难被探测到——难到他曾开玩笑说，他愿意用一箱香槟奖励任何能成功探测到中微子的人。
泡利的香槟被冰封了将近二十年，直到洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家弗雷德里克 · 莱因斯（Frederick Reines）和小克莱德 · 考恩（Clyde Cowan, Jr）下定决心要彻底追踪中微子。用莱因斯的话说：“因为每个人都说你做不到。”20世纪50年代初，莱因斯和考恩意识到，寻找中微子的最佳地点是在产生大量中微子的核反应附近，例如原子弹或核反应堆旁。他们曾短暂地考虑将中微子探测器放置在洛斯阿拉莫斯的原子弹试验旁，随后决定转向一个更稳定且安全的中微子源——位于南卡罗来纳州萨凡纳河工厂的美国军用核反应堆。
为了进行这项绰号为“鬼怪计划”（Project Poltergeist）的研究，莱因斯和考恩组建了一个容积达到1400升的探测器，里面装满水和氯化镉。在罕见的情况下，当中微子与镉原子发生碰撞时，它将发出可探测到的伽马射线。利用这一装置，意志坚定的两人终于在萨凡纳河核反应堆中找到了中微子的明确信号。1956年6月14日，他们给泡利发了一封电报：“我们非常高兴地通知您，我们已明确探测到裂变碎片产生的中微子。”泡利回信道：“功夫不负有心人。”
就这样，中微子从理论假设变成了一个真实的粒子。
发现振荡
既然中微子可以在受控实验中被探测到（尽管非常困难），另一位痴迷的物理学家就希望在自然界中研究它们。他敏锐地把目光投向了我们附近最大的中微子喷发核反应堆——太阳。从1965年开始，物理学家小雷蒙德 · 戴维斯（Raymond Davis, Jr）说服布鲁克海文国家实验室的领导资助了世界上第一台中微子望远镜。这个“望远镜”只是一个非常宽泛意义上的称呼，因为传统的镜片和透镜对中微子无用。戴维斯使用了大约40万升富含氯的干洗液作为探测器，并将其泵入南达科他州莱德的霍姆斯塔克金矿的一个洞穴中——无独有偶，DUNE实验如今也正在同一地点进行。
绝大多数太阳中微子都直接穿过了干洗液，正如它们穿过其他东西一样。与莱因斯和考恩的实验一样，戴维斯依靠的是中微子的巨大数量。他只需要几个经过的中微子与水箱中数以亿计的氯原子中的少数发生碰撞。当这种情况发生时，氯原子会转变为氩原子，而戴维斯可以探测并计数这些氩原子。他的艰苦努力奏效了，但也只能算是奏效：他探测到了预期的氩原子，但数量却完全不对。戴维斯不断改进和校准他的实验，直到1975年，戴维斯可以确定，来自太阳的中微子流量仅为预期值的1/3，剩下的2/3的中微子“失踪”了。
戴维斯得出结论：要么是物理学家误解了太阳的发光机制，要么就是他们低估了中微子的复杂性。
加拿大女王大学的天体物理学家阿瑟 · 麦克唐纳（Arthur McDonald）决定押注在中微子的复杂性上，并帮助设计了一个实验来证明这一点。正如所有中微子实验一样，麦克唐纳提出的项目也是一项浩大的工程。在20世纪80年代，他和同事向加拿大政府提出了一个惊人的请求：“你们能借给我们4000吨重水来测量来自太阳的中微子吗？”他回忆道：“当时这些重水的价值大约是12亿美元。”
麦克唐纳的灵感来自当时最新的发现，这些发现表明中微子并不是单一类型的粒子，而是一个“家族”。到20世纪70年代中期，物理学家已经推断出中微子至少有三种不同的种类或“味道”：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。虽然没有人能够准确解释为什么同一种“幽灵”粒子会有三种不同的身份，但理论表明，每种类型的中微子都与一种相应的基本粒子配对：电子、μ子和τ子。
数字“3”引起了物理学家的注意，它为戴维斯实验中令人费解的中微子探测不足提供了解释。或许其余2/3的中微子并没有真正“消失”，而只是隐藏了起来。物理模型表明，太阳应该只产生一种类型的中微子——电子中微子——这也是戴维斯的实验能够探测到的唯一类型。
但一些理论学家提出，中微子是否可以随时改变身份，从一种形式振荡到另一种形式？这一理论被称为米赫耶夫-斯米尔诺夫-沃尔芬斯坦效应（MSW效应），它与任何其他粒子的行为都不相符，但其逻辑却很吸引人。由于中微子有三种身份可供选择，到达地球时，只有1/3的太阳中微子仍保持电子中微子的身份。而仅这1/3的中微子也能被戴维斯的探测器捕捉到，与他的实验结果完全吻合。
麦克唐纳必须证明中微子确实会以这种两面性（或者说，三面性）的方式振荡。令他惊喜的是，加拿大政府提供了1000吨重水，足以启动他的实验，并在安大略省建立后来的萨德伯里中微子天文台。与戴维斯实验中的氯原子不同，重水可以与所有三种味道的中微子相互作用，这使得麦克唐纳可以追踪这些中微子，无论它们以何种形式出现。他说：“在2001年和2002年，我们能够证明，来自太阳的中微子会从其中一种味道变成另外一种。”13年后，麦克唐纳因这一研究成果分享了2015年诺贝尔奖。
中微子振荡的发现是另一个看似晦涩难解的物理观测结果，但却具有深远的影响。振荡只有在某些中微子具有质量的情况下才有可能发生，这令理论学家们大吃一惊。“标准模型（20世纪70年代建立的关于基本力和粒子的主流理论）并没有以任何方式预言到中微子具有质量。”辛辛那提大学的亚历山德罗 · 索萨（Alexandre Sousa）说。他有一个很酷的头衔——DUNE实验的“超越标准物理模型物理联合召集人”。中微子的质量从何而来，以及它对一般质量本质的启示，仍然是活跃且有争议的研究课题。
更重要的是，中微子振荡表明中微子可以作为一种灵敏的探针，用来检验自然对称性——即使某个基本条件发生改变，某些物理规律仍然保持不变。例如，当你照镜子时，物理定律看起来是一样的（光仍然是光，物体仍然会下落，等等）。这种镜像一致性通常也适用于单个粒子，这种特性被称为“宇称对称性”。除电荷相反外，物质粒子和反物质粒子的行为也应该是一致的，这种特性被称为“电荷对称性”。在20世纪的大部分时间里，物理学家在很大程度上依赖类似这样的对称性来理解现实世界的运行规则。
然而，中微子并不遵守这些对称性规则。尤其是，它们违反了电荷和宇称对称性的组合——这种组合自然被称为“CP对称性”。中微子从一种味道转变为另一种的方式取决于它们违反CP对称性的具体方式和程度。而CP对称性恰好会影响物质和反物质之间的平衡。要想让宇宙充满物质（以及随之而来的所有事物，从星系到人类），唯一的办法就是违反这种特定的对称性。因此，如果找到宇宙中CP对称性的破缺点，我们或许就能弄清楚这些物质从何而来。
35吨容量原型低温容器中用于LBNF/DUNE早期测试的、闪闪发光的液态氩
索萨说：“有了中微子，你可以测量这种CP破缺的数值，如果这个数值足够大，那么理论上它可以解释一切。”这正是DUNE项目的目的所在。
作为一个多层次的物理实验，DUNE项目旨在以前所未有的精度审视中微子行为的方方面面，这与其庞大的规模和预算是相称的。但最重要的是，它试图探索那个令人困惑的宇宙起源问题：为什么宇宙中有“某物”而不是“虚无”？我们获得有意义答案的最佳希望是在前所未有的精度下研究中微子振荡。为此，DUNE将整合以往所有中微子实验中的技术和方法，并在此基础上进行大幅扩展。
DUNE项目诞生
DUNE运行所需的工程规模与它要研究的微小粒子相比，简直不成比例。莫西对项目的规模感到难以置信：中微子探测器高达五层楼，长达60米，隐藏在地下1.6千米处，里面装有近7万吨的低温液态氩。2024年2月，莫西的团队完成了DUNE主要工作区的挖掘，三个巨大的洞穴将用于放置这些巨大的探测器。仅这一任务就需要挖掘80万吨的岩石。“而这一切都必须通过一个仅1.5千米宽的矿井完成，”他说，“想象一下起重机、动力和通风系统的难度。”
泽勒说，到2031年DUNE完全启动时，它将产生“历史上最强的中微子束流”，120万瓦的中微子爆炸将彻底曝光这些幽灵粒子。生成这样一道束流，还需要一整套精心设计的工程技术来操控粒子而非岩石——如同一个量子版的鲁布 · 戈德堡机器。
每一轮DUNE实验都始于费米实验室——位于芝加哥郊外的一个长期运行的粒子物理研究机构。在那里，一个名为质子改进计划II（PIP-II）的新粒子加速器发射出一束高能质子。由印度巴哈原子研究中心制造的41块巨型磁铁将质子聚焦并校准，使其轰击一个精心制作的1.5米长的圆柱形石墨靶。被轰击的靶材会喷射出被称为π介子和K介子的粒子，这些粒子随后在磁铁的引导下穿过一条200米长、充满氦气的隧道，在那里衰变产生μ子中微子。这最后一步会生成一道强烈的中微子探照灯，目标直指南达科他州的主探测器。
对中微子而言，地球是透明的
DUNE的探照灯将以脉冲方式发射中微子，脉冲持续时间仅为一毫秒左右，每隔几秒发射一次，反反复复，持续十年或更久。“它们以短爆发形式出现，这样你就能清晰地识别它们。”泽勒解释道。否则，DUNE灵敏的探测器可能会将这些人为产生的中微子与宇宙其他地方一直在飞来飞去的随机中微子相混淆。
在旅程的最开始，距离费米实验室仅574米处，中微子会通过一个名为“近”（Near）探测器的小型实验装置，接收第一次物理检测。这里的“小型”是相对的：“近”探测器由一个可移动的、重达300吨的液态氩中微子收集器组成，位于地下约60米处。它的核心工作之一是测量出射中微子束的特性，以支撑DUNE主实验。但“近”探测器也将进行自己的科学测量，主要是寻找可能存在的第四类中微子，即无味中微子。
逃离“近”探测器后，中微子以接近光速的速度继续前进，径直穿过地球。对中微子而言，地球是透明的。“曾有一位《隧道》杂志的记者很失望，因为我们不需要从费米实验室建造一条1300千米长的隧道，”莫西说道。大约1/250秒后，这些粒子抵达它们的首要目的地：桑福德地下研究中心（SURF）巨大的DUNE“远”（Far）探测器，位于南达科他州地下1.5千米深处，紧邻戴维斯早期太阳中微子实验的旧址。
当一个路过的中微子以极小的概率与DUNE探测器中的氩原子发生碰撞时，会引发一连串反应。正如所有与中微子有关的事情一样，这个过程并不简单。中微子激发了一个（或多个）带电粒子（通常是μ子）的发射；这些粒子又会从邻近的氩原子中撞击出一系列电子。然后，数字传感器网络会检测这些电子，精确地记录它们的能量和位置，从而以壮观的三维形式重建出最初中微子的详细信息。最终，人类将能够以前所未有的方式“看到”中微子。
对于那些习惯于等待数天甚至数月才捕捉到一个中微子信号的研究人员来说，DUNE将带来一场革命，每毫秒它可以提供多达50次中微子碰撞信号。“这是我们以前从未有过的体验。你可以看到中微子与氩原子碰撞后产生的所有不同粒子的轨迹。”泽勒说道。研究人员将记录每个事件并标记：这是什么类型的中微子？它的能量是多少？它的特性是什么？
DUNE还将创建一个前所未有的物理学社区。戴维斯几乎是独自完成实验的，而DUNE实验则更像是一个中微子的“伍德斯托克音乐节”。布鲁克海文国家实验室的玛丽 · 比什艾（Mary Bishai）从DUNE还未命名时就开始参与工作，如今她是该项目的官方发言人。她看到围绕这个项目形成的庞大合作团队，既惊讶又有些不堪重负。“你有1400人，每个人都隶属于不同的大学或实验室。物理学家之间的互动非常多，就像赶猫一样，”她打趣道，“但让我们一起工作的是对科学的热爱。”
在完成所有的隧道挖掘、粒子碰撞和束流发射后，DUNE最终输出的实际数据将主要是中微子相互作用的干涉图样——类似于湖面上波纹相互叠加或抵消的现象，只不过这些波浪是由成群的不可见粒子构成的。三种中微子之间会发生振荡和相互作用，形成类似的中微子类型和强度图样。通过调整DUNE的束流和探测器，研究人员将逐步绘制出这些模式图，并建立有史以来最完整的中微子行为模式图。
“你在费米实验室创造出μ子中微子。然后，在它们抵达‘远’探测器时，大约有5%的中微子会振荡成电子中微子，其余的会振荡成τ子中微子。”索萨解释道。由此产生的振荡图样被称为“混合角”，介于三种不同中微子特性之间。“DUNE将测量这个混合角，以及与其相关的所有物理现象。”索萨进一步解释道。混合角是一组数字，表示自然界在多大程度上偏离数学上理想化的简单对称形式——一种会导致空洞、贫瘠现实的可悲对称性。
当DUNE忙于寻找中微子振荡时，它还将承担许多其他物理任务。它将寻找假想的重中微子，这些粒子可以解释宇宙中不可见的暗物质——这种暗物质的质量似乎超过了所有可见物质的总和。如果这些“无味”中微子存在，它们一定比普通中微子更具惰性；它们可能隐藏着一个未曾发现的“影子”物理世界。DUNE探测器将起到超灵敏中微子望远镜的作用，是戴维斯于20世纪60年代在同一地点开始的实验的显著增强版。如果银河系中任何地方有超新星爆发，科学家都会知道，并能获得一个独特的视角来观察垂死恒星的心脏——只有中微子才能提供这样的视角。“我们将学到很多东西。”索萨说道。
到DUNE实验结束时，也就是在2040年左右，我们应该能了解三种已知类型中微子的行为、相互作用方式以及它们的质量。我们可能会了解到将遥远星系结合在一起的暗物质身份。最重要的是，我们应该能够精确测量中微子的混合角和CP对称性破缺，这将告诉我们是否找到了可以解释我们存在的百亿分之一的不平衡。
粒子物理学家将密切关注测量得到的混合角的精确值，以期找到有关我们起源的更深层次线索：不仅是物质存在的原因，还包括它们的来源。如果中微子展现出恰到好处的不平衡，这一发现将支持一个被称为“跷跷板机制”的大胆理论。这一理论假设，今天我们看到的中微子是宇宙大爆炸之后不久便存在的超大质量中微子的“后裔”。那些“巨型”中微子的质量是质子质量的千万亿倍。随着它们的衰变，它们可能成为我们今天看到的所有原子的直接来源。如果是这样的话，那我们都是中微子的后代。
此外，还有从哲学和社会学角度上的满足感。来自35个国家的理论学家、技术人员和实践型粒子物理学家聚集在一起，携手合作超过二十年，共同解决一个不切实际但又极其个人化的问题：为什么存在万物，而不是虚无？“还有什么工作能比解答一个全世界没有人知道答案的问题更棒呢？”泽勒问道。在这个角度来看，DUNE看起来不再像是一台机器，而更像是一座现代的教堂——一个人们聚集在一起，在一个超越个人、跨越世代的共同目标的激励下寻求启迪的地方。
莫西将中微子之谜放在了一个更长的演化时间尺度上。“在你的一生中，每秒钟都有650亿个中微子穿过你的身体的每一平方厘米，这个过程可以追溯到10万年前第一批人类在地球上行走时。”他说道，“如此普遍存在的东西，必定在宇宙中扮演着重要的角色，而我们必须想办法弄清楚它是什么。”
资料来源Aeon
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本文作者科里·鲍威尔（Corey S. Powell）是一位科学编辑和记者，曾担任《发现》《科学美国人》的编辑。他是《方程中的上帝》（2003）的作者，并与比尔·奈（Bill Nye）合作撰写了三本书，包括《万物齐发》（2017）。目前，他正在创作一本关于宇宙中不可见方面的书，预计于2026年出版