探寻宇宙中微子超光速之谜

伤我心太深

宇宙学家认为，每时每刻都有千百亿个中微子快速穿过人体而不会让我们感到任何不适。据称，这些体量巨大的亚原子粒子直接源于宇宙大爆炸时代，而不是来自太阳或者其他物体。对这一说法的实验验证将会为人们了解早期宇宙和中微子物理学提供开创性的见解。但是，人们将如何研究这个令人捉摸不透的物质？它神出鬼没，视1光年厚的“铜墙铁壁”为无物，来去自如地穿梭其间。

在美国能源部管控的普林斯顿大学等离子体物理实验室，由物理学家克里斯·特里领导的研究小组利用中微子可以被氚元素捕获这一奇怪的物理事实来捕捉这些几乎没有任何质量的大爆炸残余物。氚是氢的放射性同位素，大爆炸中微子可以为氚在衰变过程中释放出的电子（或β粒子）提供微量能量。

特里创立了一个原实验室，通过测量其对电子施加的额外能量来探测大爆炸产生的中微子。这个实验的精确度是空前的。定位这些中微子就像“在人满为患的体育场里探测微弱的心跳一样（艰难）”，该项目的总工程师查尔斯·金泰尔在谈起这个实验时这样说。

该项目被特里称为“托勒密”工程，其全称为“普林斯顿氚观测台——探索光和宇宙早期产生的大量中微子”。托勒密是古希腊的天文学家，生活在公元1世纪时的古埃及。

最黑暗、最寒冷的实验条件

特里的团队创造了迄今最暗、最冷的实验条件，实验任务需要使测量一个电子能量的精度达到能够探测到中微子质量的程度。就在不久以前，中微子还一度被认为完全没有质量。这个实验的物理学基础是量子电子学（这个物理学的分支专门探讨物质中电子行为的量子物理学效应），目标是探测大爆炸中微子产生的微小的额外能量。

为什么大爆炸中微子提供的额外能量格外少？这些大爆炸残余物的独特之处在于，它们的波长被不断膨胀的宇宙拉长，温度逐渐冷却。我们生活于其中的宇宙时空经历了几乎137亿年的膨胀过程，正是这种膨胀让大爆炸中产生的数量庞大的中微子冷却下来，温度值只有最初的数十亿分之一。因此，比起那些源于太阳的中微子，它们通常具有较少的能量。当这些冷却的中微子被氚捕获时，将创造出一个狭窄的能量峰值，该峰值仅高于从氚的衰变中释放出的电子的最大能量值。

困难并未就此结束，确认大爆炸残余物的工作仍然任重道远。中微子可以表现出多种形态，因此得出的峰值就有可能稍高或者稍低一点。跟大多数普通物质粒子都有一个相应的反物质粒子一样，中微子也可以有反中微子。不过，中微子也可能更另类一些，比如它本身有可能就是自己的反物质粒子。这两者（具有对应的反物质粒子或者本身就是反物质粒子）之一决定了测量峰值的高低。如果中微子在几十亿年的衰变过程中变成了某种更轻的未知粒子，那么，额外的能量峰值可能根本不会出现。

最尖端的科技

特里说，进行“托勒密”实验的精密设备完全有能力达到检测大爆炸中微子所需要的精确度。这项尖端科技将被用于普林斯顿大学等离子体物理实验室的另外一项重大实验，即验证长期以来人们对大爆炸中微子在宇宙中的密度的种种假设。

通过实验对假设进行证实可以同时验证宇宙起源标准模型理论，反之，对理论假说的证伪将推翻标准模型理论，并因此催生出关于宇宙大爆炸及其后续演变的新观点、新理论。同时，找到中微子也能揭示有关暗物质的来源问题——它们也许是这种看不见的物质的来源。

这一发现的意义将是旷古的。“‘托勒密实验’是否真的会对人们认识宇宙做出长远的贡献？”特里在项目演说中如是问道。他给出的答案是：“实验的长远贡献将是毋庸置疑的。我们认为人类生活在一片拥有140亿岁高龄的中微子的海洋里。事实果真如此吗？”

普林斯顿大学等离子体物理实验室的原型机或许藏有神秘之钥，能够解开所有谜团。该实验设备由一对超导磁体组成，这对磁体连接在一个直径152.4厘米的圆柱形真空室的两端。真空室的一端安置了一个含有微量氚元素的容器，另一端则安置了一个由阿贡国家实验室提供的量热计，用来测量电子的能量。在实验过程中，在氚的衰变过程中释放出的电子会被导向磁场的磁力线，然后让这些电子通过真空室的滤波器。经过滤波器的“筛选”，可以分离出不同能量级的电子，最终留下能量级最高的电子，然后用量热计对其进行测量。

阻止噪音

在这项实验过程中，需要对随机性热噪音源保持密切关注，因为噪音会扰乱真空室两端的精密仪器的正常运行。研究人员会在纳米材料的石墨烯中储存氚（石墨烯是只有一个原子直径厚度的碳层），以确保从氚元素的衰变过程中释放出的电子“干干净净”地流入真空室中。

真空室另一端的量热计连接在一个温度设定为70mK至100mK的冰箱上，这个温度只有宇宙深空温度的1/20，不到1K（绝对零度就是开尔文温度标，即K定义的零点。0K约等于-273.15℃）的1/10。这种深度冻结的环境将使量热计巧妙地停留在两种状态之间：一种是超导状态，电子可以在其中流动而不受任何阻力影响;一种是非超导状态，电子的流动会受到电阻的阻碍。两种状态间这种微妙的平衡，加上极低的噪音环境，实现了只有量子电子学具备的条件，为实验装置提供了精确测量所需要的灵敏度。当一个电子撞击到量热计时，这种灵敏度极高的仪器可以测量出该电子的能量。特里说，在电子能量的测量领域，他们使用的量热计具备了过去同类仪器从未有过的精确度。

负责普林斯顿大学等离子体物理实验室运行的副主任、“托勒密”项目的主管亚当·科恩认为，这一实验“非常完美地匹配了仪器的技术参数和功能”，包括如何处理氚、操作一个合成纳米材料的实验室以及10年以上运行磁体和真空容器的经验、构建膨胀实验的空间等。

文化融合

“托勒密”实验吸引了越来越多的学生、科研人员、访问学者以及高水平物理学家来到普林斯顿大学等离子体物理实验室。这种人员的流动将产生一种“杂交”效应，提升实验室在核聚变和等离子体物理学方面的研究水平，推动人类科学，特别是空间科学的发展。

对特里来说，“托勒密”实验将会成为通往其他研究领域的门户，“推开一扇新探索领域的大门，你将收获无尽可能”。