田也

宇宙學(xué)家認(rèn)為，每時每刻都有千百億個中微子快速穿過人體而不會讓我們感到任何不適。據(jù)稱，這些體量巨大的亞原子粒子直接源于宇宙大爆炸時代，而不是來自太陽或者其他物體。對這一說法的實驗驗證將會為人們了解早期宇宙和中微子物理學(xué)提供開創(chuàng)性的見解。但是，人們將如何研究這個令人捉摸不透的物質(zhì)？它神出鬼沒，視1光年厚的“銅墻鐵壁”為無物，來去自如地穿梭其間。

在美國能源部管控的普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室，由物理學(xué)家克里斯·特里領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用中微子可以被氚元素捕獲這一奇怪的物理事實來捕捉這些幾乎沒有任何質(zhì)量的大爆炸殘余物。氚是氫的放射性同位素，大爆炸中微子可以為氚在衰變過程中釋放出的電子（或β粒子）提供微量能量。

特里創(chuàng)立了一個原實驗室，通過測量其對電子施加的額外能量來探測大爆炸產(chǎn)生的中微子。這個實驗的精確度是空前的。定位這些中微子就像“在人滿為患的體育場里探測微弱的心跳一樣（艱難）”，該項目的總工程師查爾斯·金泰爾在談起這個實驗時這樣說。

該項目被特里稱為“托勒密”工程，其全稱為“普林斯頓氚觀測臺——探索光和宇宙早期產(chǎn)生的大量中微子”。托勒密是古希臘的天文學(xué)家，生活在公元1世紀(jì)時的古埃及。

最黑暗、最寒冷的實驗條件

特里的團隊創(chuàng)造了迄今最暗、最冷的實驗條件，實驗任務(wù)需要使測量一個電子能量的精度達到能夠探測到中微子質(zhì)量的程度。就在不久以前，中微子還一度被認(rèn)為完全沒有質(zhì)量。這個實驗的物理學(xué)基礎(chǔ)是量子電子學(xué)（這個物理學(xué)的分支專門探討物質(zhì)中電子行為的量子物理學(xué)效應(yīng)），目標(biāo)是探測大爆炸中微子產(chǎn)生的微小的額外能量。

為什么大爆炸中微子提供的額外能量格外少？這些大爆炸殘余物的獨特之處在于，它們的波長被不斷膨脹的宇宙拉長，溫度逐漸冷卻。我們生活于其中的宇宙時空經(jīng)歷了幾乎137億年的膨脹過程，正是這種膨脹讓大爆炸中產(chǎn)生的數(shù)量龐大的中微子冷卻下來，溫度值只有最初的數(shù)十億分之一。因此，比起那些源于太陽的中微子，它們通常具有較少的能量。當(dāng)這些冷卻的中微子被氚捕獲時，將創(chuàng)造出一個狹窄的能量峰值，該峰值僅高于從氚的衰變中釋放出的電子的最大能量值。

困難并未就此結(jié)束，確認(rèn)大爆炸殘余物的工作仍然任重道遠。中微子可以表現(xiàn)出多種形態(tài)，因此得出的峰值就有可能稍高或者稍低一點。跟大多數(shù)普通物質(zhì)粒子都有一個相應(yīng)的反物質(zhì)粒子一樣，中微子也可以有反中微子。不過，中微子也可能更另類一些，比如它本身有可能就是自己的反物質(zhì)粒子。這兩者（具有對應(yīng)的反物質(zhì)粒子或者本身就是反物質(zhì)粒子）之一決定了測量峰值的高低。如果中微子在幾十億年的衰變過程中變成了某種更輕的未知粒子，那么，額外的能量峰值可能根本不會出現(xiàn)。

最尖端的科技

特里說，進行“托勒密”實驗的精密設(shè)備完全有能力達到檢測大爆炸中微子所需要的精確度。這項尖端科技將被用于普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室的另外一項重大實驗，即驗證長期以來人們對大爆炸中微子在宇宙中的密度的種種假設(shè)。

通過實驗對假設(shè)進行證實可以同時驗證宇宙起源標(biāo)準(zhǔn)模型理論，反之，對理論假說的證偽將推翻標(biāo)準(zhǔn)模型理論，并因此催生出關(guān)于宇宙大爆炸及其后續(xù)演變的新觀點、新理論。同時，找到中微子也能揭示有關(guān)暗物質(zhì)的來源問題——它們也許是這種看不見的物質(zhì)的來源。

這一發(fā)現(xiàn)的意義將是曠古的?！啊欣彰軐嶒灐欠裾娴臅θ藗冋J(rèn)識宇宙做出長遠的貢獻？”特里在項目演說中如是問道。他給出的答案是：“實驗的長遠貢獻將是毋庸置疑的。我們認(rèn)為人類生活在一片擁有140億歲高齡的中微子的海洋里。事實果真如此嗎？”

普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室的原型機或許藏有神秘之鑰，能夠解開所有謎團。該實驗設(shè)備由一對超導(dǎo)磁體組成，這對磁體連接在一個直徑152.4厘米的圓柱形真空室的兩端。真空室的一端安置了一個含有微量氚元素的容器，另一端則安置了一個由阿貢國家實驗室提供的量熱計，用來測量電子的能量。在實驗過程中，在氚的衰變過程中釋放出的電子會被導(dǎo)向磁場的磁力線，然后讓這些電子通過真空室的濾波器。經(jīng)過濾波器的“篩選”，可以分離出不同能量級的電子，最終留下能量級最高的電子，然后用量熱計對其進行測量。

阻止噪音

在這項實驗過程中，需要對隨機性熱噪音源保持密切關(guān)注，因為噪音會擾亂真空室兩端的精密儀器的正常運行。研究人員會在納米材料的石墨烯中儲存氚（石墨烯是只有一個原子直徑厚度的碳層），以確保從氚元素的衰變過程中釋放出的電子“干干凈凈”地流入真空室中。

真空室另一端的量熱計連接在一個溫度設(shè)定為70mK至100mK的冰箱上，這個溫度只有宇宙深空溫度的1/20，不到1K（絕對零度就是開爾文溫度標(biāo)，即K定義的零點。0K約等于-273.15℃）的1/10。這種深度凍結(jié)的環(huán)境將使量熱計巧妙地停留在兩種狀態(tài)之間：一種是超導(dǎo)狀態(tài)，電子可以在其中流動而不受任何阻力影響;一種是非超導(dǎo)狀態(tài)，電子的流動會受到電阻的阻礙。兩種狀態(tài)間這種微妙的平衡，加上極低的噪音環(huán)境，實現(xiàn)了只有量子電子學(xué)具備的條件，為實驗裝置提供了精確測量所需要的靈敏度。當(dāng)一個電子撞擊到量熱計時，這種靈敏度極高的儀器可以測量出該電子的能量。特里說，在電子能量的測量領(lǐng)域，他們使用的量熱計具備了過去同類儀器從未有過的精確度。

負責(zé)普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室運行的副主任、“托勒密”項目的主管亞當(dāng)·科恩認(rèn)為，這一實驗“非常完美地匹配了儀器的技術(shù)參數(shù)和功能”，包括如何處理氚、操作一個合成納米材料的實驗室以及10年以上運行磁體和真空容器的經(jīng)驗、構(gòu)建膨脹實驗的空間等。

文化融合

“托勒密”實驗吸引了越來越多的學(xué)生、科研人員、訪問學(xué)者以及高水平物理學(xué)家來到普林斯頓大學(xué)等離子體物理實驗室。這種人員的流動將產(chǎn)生一種“雜交”效應(yīng)，提升實驗室在核聚變和等離子體物理學(xué)方面的研究水平，推動人類科學(xué)，特別是空間科學(xué)的發(fā)展。

對特里來說，“托勒密”實驗將會成為通往其他研究領(lǐng)域的門戶，“推開一扇新探索領(lǐng)域的大門，你將收獲無盡可能”。