老喬

2015年的夏天，筆者有幸參觀了薩德伯里中微子觀測(cè)站實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室位于加拿大東部的魁北克省的小鎮(zhèn)薩德伯里，距離多倫多約400千米。

薩德伯里是一座在100多年前因采礦業(yè)而興建起來(lái)的小城，以豐富的鎳礦聞名于世。如今漫步城中，很難想象這座美麗的生態(tài)城市曾經(jīng)遭受過(guò)重度的工業(yè)污染，近幾年才逐步恢復(fù)生機(jī)。

淡水河谷公司（Vale）的克萊頓礦區(qū)在這座城市的最西邊，那兒有加拿大最深的鎳礦礦井。礦業(yè)公司將礦井2 100米深處的一處礦道租借給了科學(xué)家們建造地下實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行粒子物理學(xué)的研究。在初期，實(shí)驗(yàn)室的建造是為了開(kāi)展薩德伯里中微子觀測(cè)（SNO）實(shí)驗(yàn)，這也是實(shí)驗(yàn)室名字的由來(lái)。在SNO實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，人們又?jǐn)U建了實(shí)驗(yàn)室，給當(dāng)前和未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究提供更大的實(shí)驗(yàn)空間和更先進(jìn)齊全的設(shè)備。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里誕生了2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納。

說(shuō)到這里，讀者們肯定會(huì)有疑問(wèn)：為什么要在地底下建造實(shí)驗(yàn)室？中微子是什么？為什么要探測(cè)中微子？以下就讓我們?nèi)媪私庖幌逻@個(gè)全球著名的極深地下試驗(yàn)室之一的SNO實(shí)驗(yàn)室。

“狡猾”的中微子到底是何方神圣？

SNO實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，是為了測(cè)量太陽(yáng)中微子，因而在介紹這個(gè)實(shí)驗(yàn)室之前，我們必須先要了解中微子是何方神圣，聽(tīng)說(shuō)是個(gè)非常“狡猾”的家伙。

中微子是一種微觀粒子，它是在核反應(yīng)或放射性衰變等過(guò)程中產(chǎn)生的。在1930年，人們通過(guò)β衰變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先從理論上預(yù)言了它的存在。在這個(gè)過(guò)程中，原子核內(nèi)的中子通過(guò)釋放電子和中微子轉(zhuǎn)變成了質(zhì)子（這里產(chǎn)生的電子在早期被稱為β粒子，因此這種放射性衰變稱為β衰變）。它的質(zhì)量極小，大約是電子的1/200，在空間里自由飛行時(shí)的速度接近光速。中微子不帶電，幾乎不會(huì)和日常物質(zhì)里的原子發(fā)生反應(yīng)，所以它可以輕而易舉地穿過(guò)物體，如同神話里穿墻的茅山術(shù)士。中微子的這個(gè)性質(zhì)讓它很難被人們捕捉到，顯得非?！敖苹?，想象一下：在中午的時(shí)候，翹起你的大拇指，每秒鐘都會(huì)有大約幾百億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)你的大拇指指甲，但是你卻沒(méi)有任何感覺(jué)。盡管捕捉中微子的難度極大，人們依舊憑借聰明才智和努力的汗水，先是在1956年的時(shí)候證實(shí)了它的存在，隨后又開(kāi)展了各項(xiàng)捕捉和研究中微子性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。研究中微子可以幫助粒子物理學(xué)家更好地理解基本粒子的行為，從而對(duì)物理學(xué)有更深層次的理解；另外，研究恒星、超新星的天體物理學(xué)家也對(duì)中微子情有獨(dú)鐘。

位于加拿大的SNO實(shí)驗(yàn)室為什么要建在地底下呢？

太陽(yáng)在熱核反應(yīng)時(shí)會(huì)釋放出大量中微子，這些中微子攜帶有太陽(yáng)內(nèi)核的信息，可以幫助人們認(rèn)識(shí)太陽(yáng)內(nèi)核的反應(yīng)。為了探測(cè)太陽(yáng)中微子，來(lái)自加拿大、美國(guó)和英國(guó)的科學(xué)家在地下空間里建造了這個(gè)實(shí)驗(yàn)室。可是為什么要將實(shí)驗(yàn)室建在地下呢？

原來(lái)，中微子在探測(cè)裝置里產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，在宇宙中還存在其他粒子組成的束流，稱為宇宙射線。它們的能量一般很高，與大氣層中的分子作用，又會(huì)產(chǎn)生大量其他的粒子。這些粒子的信號(hào)會(huì)干擾中微子的探測(cè)信號(hào)。但是，由于它們大部分都帶電，可以與物質(zhì)相互作用從而被吸收掉。就像核電站采用厚厚的混凝土板來(lái)阻擋反應(yīng)堆里產(chǎn)生的有害射線一樣，這里把實(shí)驗(yàn)室放到很深的地底下，利用實(shí)驗(yàn)室上面的土壤和巖石來(lái)阻擋這些干擾射線，把這些干擾降到最低。SNO實(shí)驗(yàn)室原來(lái)是世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室（距地面約2 000米），現(xiàn)在已被中國(guó)的錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室所超越（距地面約2 400米）。

認(rèn)識(shí)世界的本原，怎么這么難？

莊子云：“一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭?！鼻f子認(rèn)為：拿一尺長(zhǎng)（約33厘米）的木杖，先切掉一半，然后剩下的再切一半，可以永遠(yuǎn)切下去。然而，科學(xué)家們卻有一種信仰，莊子所設(shè)想的每天切木杖，并非“萬(wàn)世不竭”，而是總有一天會(huì)到達(dá)極限，得到的是世界上最基本的物質(zhì)——組成世界的本原。我們繽紛復(fù)雜世界，最終可以還原成這種最基本的物質(zhì)的排列組合。

然而目前，電子、夸克、中微子和其他幾種微觀粒子是科學(xué)家們所發(fā)現(xiàn)的最基本的粒子?？茖W(xué)家們對(duì)此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿意，依然希望能研究清楚它們的性質(zhì)和相互之間的聯(lián)系，從而找出它們背后更本質(zhì)的東西。其中，中微子有著非常神秘的性質(zhì)：早期的太陽(yáng)中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所探測(cè)到的太陽(yáng)中微子數(shù)量大致為預(yù)測(cè)的1/3到1/2，是描述太陽(yáng)核反應(yīng)的理論錯(cuò)了，還是“狡猾”的中微子有未知的性質(zhì)？認(rèn)識(shí)世界的本原，怎么就這么難！

當(dāng)時(shí)有一種理論認(rèn)為，從太陽(yáng)內(nèi)核產(chǎn)生的電子型中微子在飛向地球的途中會(huì)“變身”成其他類(lèi)型的中微子，而之前的實(shí)驗(yàn)只能測(cè)量電子型中微子，所以造成了丟失。到了1984年，加州大學(xué)的教授，美籍華人陳華生提出了一種利用 重水作為探測(cè)介質(zhì)來(lái)測(cè)量太陽(yáng)中微子的實(shí)驗(yàn)方案。由于不同種類(lèi)的中微子和重水里的氘、電子發(fā)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生三種不同的信號(hào)。通過(guò)區(qū)分和比較這些不同的信號(hào)，就可以清晰地看出電子型中微子和未知種類(lèi)的中微子在數(shù)量上的比例和中微子的總量，從而解決太陽(yáng)中微子問(wèn)題。陳華生為了實(shí)現(xiàn)他的想法，在美國(guó)和加拿大之間奔走，最終決定利用在加拿大薩德伯里礦山中的地下空間，建造實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)用的重水探測(cè)裝置——SNO探測(cè)器。

SNO實(shí)驗(yàn)的建造和測(cè)試運(yùn)行前后歷經(jīng)了18年，其中還包括了長(zhǎng)達(dá)8年的瓶頸期。在這漫長(zhǎng)的時(shí)間里，加拿大科學(xué)家亞瑟·麥克唐納德率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)最終在2001年完成了太陽(yáng)中微子的測(cè)量，證實(shí)了中微子并未丟失，只是“變身”了，揭開(kāi)了太陽(yáng)中微子之謎。

還記得參觀實(shí)驗(yàn)室的那天，清晨不到五點(diǎn)，我們便動(dòng)身出發(fā)，趕6點(diǎn)鐘下礦的那班升降籠。在蜿蜒的小道上飛馳不久，便能看見(jiàn)幾根煙囪和遠(yuǎn)處一座綠色的沒(méi)有窗戶的大廈——那是從礦井運(yùn)輸?shù)V物的升降機(jī)，SNO實(shí)驗(yàn)室的地面辦公樓就在它的旁邊。

隨后，管理員南茜幫我們領(lǐng)取裝備，指示我們進(jìn)行訪客登記。我們各自領(lǐng)到了姓名牌和礦工裝備：一雙沉重的防護(hù)靴、頭盔、插在頭盔上的小手電和一件帶有反光物質(zhì)的連體服。懷特先生是實(shí)驗(yàn)室的安全總負(fù)責(zé)人，他是一個(gè)嚴(yán)肅、沉默寡言的老人，體格健壯硬朗。在他的帶領(lǐng)下，我們步履蹣跚地走到對(duì)面的礦井大樓的入口處，六點(diǎn)鐘的時(shí)候，清脆的上工鈴聲響了。升降籠的操作員鳴笛示意，打開(kāi)閘門(mén)，我們和SNO實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、礦工們依次進(jìn)入。大家緊緊抓住扶手站穩(wěn)后，操作員再次鳴笛，開(kāi)始下降。升降籠的速度可達(dá)10米/秒，耳旁呼呼成風(fēng)，耳朵有一種脹痛感。十幾分鐘的時(shí)間，我們便抵達(dá)了2 100米的礦道。

懷特先生帶著我們依次進(jìn)入各個(gè)工作區(qū)域進(jìn)行參觀。第一個(gè)便是SNO實(shí)驗(yàn)區(qū)域。目前SNO實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行升級(jí)工作，開(kāi)展“SNO+”實(shí)驗(yàn)。在操作間，幾位工程師正緊張地監(jiān)控著探測(cè)器的液體運(yùn)行。接著是SNO探測(cè)器的控制室。在進(jìn)入之前，又需要在一個(gè)類(lèi)似電話亭的風(fēng)淋室中，讓吹出來(lái)的風(fēng)再次除塵。因?yàn)榘踩脑?，我們不能過(guò)去張望，親眼目睹SNO探測(cè)器。接下來(lái)參觀的分別是Picasso暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)區(qū)和DEAP/MiniCLEAN暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)，整個(gè)過(guò)程約2小時(shí)。

返回地面，整理好行裝的時(shí)候已經(jīng)是下午4點(diǎn)了。薩德伯里的夏天一般為25度左右，太陽(yáng)要到9點(diǎn)后才落山。我們?cè)谶@清爽美好的夏季，進(jìn)入了幽暗的地下世界，尋訪了人類(lèi)因?yàn)榧兇獾膶?duì)于真理的追求，耗費(fèi)了大量人力和物力建造的實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室，真是大開(kāi)眼界。然而人類(lèi)的追求永遠(yuǎn)不會(huì)停止：目前，我國(guó)的錦屏山實(shí)驗(yàn)室（2 400米）在深度上已趕超了SNO實(shí)驗(yàn)室。一系列比當(dāng)年的SNO探測(cè)器更大、技術(shù)更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)正在馬不停蹄地籌備中……我們要保持樂(lè)觀的精神，相信人類(lèi)在解決未知的道路上所做的努力，必然會(huì)有所收獲。

人物鏈接

陳華生和亞瑟·麥克唐納德

在SNO實(shí)驗(yàn)萬(wàn)事俱備即將啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)刻，令人遺憾的是，才44歲的陳華生卻罹患重病，在與白血病斗爭(zhēng)了1年后，于1987年撒手人寰，可謂“出師未捷身先死”。如今資料上很難找到他更詳細(xì)的事跡，除了他所任職的加州大學(xué)爾灣分校的檔案里有幾段簡(jiǎn)短的介紹：陳華生，1942年生于重慶，在戰(zhàn)火中長(zhǎng)大，經(jīng)歷了坎坷而艱辛的童年后，最終和家人輾轉(zhuǎn)到了美國(guó)。他依靠全額的獎(jiǎng)學(xué)金，先后在加州理工大學(xué)、普林斯頓大學(xué)獲得了學(xué)位，在中微子的理論和實(shí)驗(yàn)研究中取得了不少成果。

在他去世后，他的合作者，加拿大科學(xué)家亞瑟·麥克唐納德繼承了他的遺志，用無(wú)比堅(jiān)毅的決心去實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。亞特·麥克唐納德和SNO實(shí)驗(yàn)在2015年底獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)人們問(wèn)起麥克唐納德如何克服困難和實(shí)驗(yàn)成功的秘訣時(shí)，這位如今白發(fā)蒼蒼的老人滿臉笑意，和善的藍(lán)眼睛里透出了一份俏皮：“永遠(yuǎn)保持幽默感。要把人放到合適的位置上。不要去埋怨或責(zé)備誰(shuí)，去動(dòng)手解決問(wèn)題?！?