在全球最深的湖泊之下搜尋幽靈粒子

編譯 姚人杰

科學家將一條金屬纜索上的36只球形光探測器放入俄羅斯貝加爾湖水下2 300英尺（約合701米）深的地方，而這僅僅是正在建造的水下中微子探測器的一部分設施

俄羅斯貝加爾湖上撲通一聲，一個像充氣沙灘球那般大小的玻璃圓球掉進冰面上的一個洞里，帶著一根金屬纜索，墜向世界最深的湖泊底部。

一個接著一個的圓球被放入湖中。這些球形光探測器最終被懸吊在漆黑一片的湖底深處。同一根金屬纜索上共掛有36只這樣的圓球，它們彼此相隔50英尺（約合15.24米）。貝加爾湖最深處超過一英里（約1.61千米），沿著它犬牙交錯的南岸線，在離岸邊兩英里遠的水面上一共有64根這樣的纜索，依靠鐵錨和浮標布置就位。

正在建造的是一臺望遠鏡，也是北半球的同一類望遠鏡中規(guī)模最大的一臺，用來探索黑洞、遙遠的星系、恒星爆炸后的遺留物（依靠搜尋中微子來尋找）。中微子是極其微小的宇宙粒子，每秒都有數(shù)以萬億計的中微子穿過我們的身體?？茖W家相信，要是我們能學會解讀中微子蘊含的信息，我們就能繪制宇宙及其歷史的圖表（以我們還無法透徹領悟的方式）。

俄羅斯物理學家格里戈里·多莫加茨基（Grigori Domogatski）今年80歲，已經(jīng)尋求建造這臺水下望遠鏡有40年之久?！坝肋h不應該錯過向大自然詢問任何問題的機會。”他停頓一下后補充道，“你永遠不知道你會獲得什么答案?！?/p>

設施仍然在建造中，但多莫加茨基和其他科學家長久以來夢寐以求的這臺水下望遠鏡離給出結(jié)果近在咫尺，比以往任何時候都更為接近。而且，對于來自宇宙遙遠區(qū)域的中微子的這番搜尋橫跨地緣政治和天體物理學的不同時期，清楚展現(xiàn)了俄羅斯如何設法維持部分科研實力和這份遺產(chǎn)的局限。

貝加爾湖的水下望遠鏡項目不是全球唯一一個在人煙罕至之處搜尋中微子的努力。遍布全球各地的實驗室中，共有數(shù)十臺儀器在尋找中微子。但俄羅斯的這個新工程會是對全球最大的中微子望遠鏡“冰立方”研究工作的重要補充。（“冰立方”是由美國領導、耗資2.79億美元的科研項目，位于南極洲。）

“冰立方”采用類似于貝加爾湖望遠鏡的光探測器網(wǎng)格，于2017年識別出中微子，科學家說該中微子可能來自一個超大質(zhì)量黑洞。那是科學家首次確定來自太空的高能粒子雨（也被稱為宇宙射線）的來源，是中微子天文學這個仍處于初期的學科分支的一次突破。

該領域的研究者相信，隨著他們學會利用中微子來解讀宇宙，他們能做出意料之外的新發(fā)現(xiàn)——就像首個開發(fā)出望遠鏡的磨鏡師不可能想象到伽利略后來會利用望遠鏡發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星一樣。

“這就像望著夜空，看到一顆星星?！蓖箍敌谴髮W麥迪遜分校的天體物理學家、同時也是“冰立方”項目主管的弗朗西斯·哈爾岑（Francis L. Halzen）在一次電話采訪中形容搜尋幽靈粒子行動的當前狀況時說道。

蘇聯(lián)科學家的早期研究工作幫助哈爾岑博士在20世紀80年代產(chǎn)生靈感——在南極冰層里建造一臺中微子探測器。如今，哈爾岑博士說他的研究團隊相信，“冰立方”可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從太空深處抵達地球的中微子的另外兩個來源——但還難以確認，因為沒有其他團隊探測到這些中微子。他希望隨著貝加爾湖水下望遠鏡擴大規(guī)模，局面會在未來幾年內(nèi)改觀。

哈爾岑博士說：“我們必須保持特別謹慎的態(tài)度，因為目前沒人能驗證我們的研究。 有另一個實驗與我們互動和交換數(shù)據(jù)會讓我很興奮?！?/p>

早在20世紀70年代，盡管美蘇兩國在冷戰(zhàn)，但兩國科學家還是攜手合作，計劃在夏威夷海岸外建設全球首個深水中微子探測器。然而，在蘇聯(lián)入侵阿富汗之后，蘇聯(lián)人被踢出該項目。1980年，在多莫加茨基的帶領下，位于莫斯科的核研究所開始自行嘗試建設中微子望遠鏡。合適的建設地點似乎很明顯，那便是貝加爾湖，盡管它離莫斯科大約2 500英里（4 000多千米）。

在蘇聯(lián)解體之前，在籌劃和設計之外，項目并未有太多進展。巨變讓蘇聯(lián)的許多科學家陷入貧困，他們的努力也陷入混亂。但是，柏林城外的一家科研機構(gòu)——不久后變成德國電子加速器（DESY）粒子研究中心的一部分——加入了貝加爾湖中微子望遠鏡的項目。

那時領導德國團隊的克里斯蒂安·施皮林（Christian Spiering）回憶說，當時他們從德國運送數(shù)百磅的黃油、白糖、咖啡和香腸過去，這些物資就是每年冬季去貝加爾湖冰面上考察之旅的給養(yǎng)。他也給莫斯科送去價值數(shù)千美元的現(xiàn)金，用作俄羅斯科學家微薄工資之外的補貼。

俄羅斯物理學家格里戈里·多莫加茨基在40年里領導了尋求建造這處觀測設施的計劃

水下望遠鏡位于貝加爾湖南岸之外約三千米遠的冰面上

科學家葉夫根耶·普利斯可夫斯基（Yevgeny Pliskovsky）在貝加爾湖岸上的一座建筑里監(jiān)測數(shù)據(jù)

一輪冉冉升起的太陽照在貝加爾湖上。冬季的湖面覆蓋了近1米厚的冰層，成為安裝水下光電倍增器陣列的理想平臺

科研人員在一輛面包車內(nèi)飲茶休息

浮標等待著與球形光探測器逐一配對，然后再沉入冰面之下

多莫加茨基博士和他的研究團隊有著一股韌勁。施皮林博士回憶說，當時一家立陶宛的電子器件制造商不肯接受盧布付款，一位俄羅斯的物理學家在協(xié)商后，用火車運了一車皮的西伯利亞紅松木來付款。

在一次和施皮林博士的交談中，多莫加茨基博士曾將他手下的科學家比作是俄羅斯諺語中的青蛙，那只青蛙掉進一大桶牛奶里，想要活下來只有一個法子：“它得不斷動彈，直至那桶牛奶被攪成黃油。”

到20世紀90年代中期，俄羅斯研究團隊已經(jīng)設法識別出“大氣”中微子——那些由地球大氣層中的粒子碰撞產(chǎn)生的中微子——但沒有探測到從外太空來到地球的中微子。要實現(xiàn)后者，就需要更大的探測器。隨著普京總統(tǒng)領導的俄羅斯在21世紀初重新向科學研究投入資金，多莫加茨基博士成功爭取到三千多萬美元的資金，用于在貝加爾湖下建造一臺像“冰立方”一樣大的新望遠鏡。

貝加爾湖的最大深度達到一英里（約1.61千米），擁有全世界最為清澈的淡水，還恰好有一條沙皇時期建設的鐵路繞過湖泊南岸。最為重要的一點是，冬季的貝加爾湖被三英尺（近1米）厚的冰層覆蓋：對于安裝水下光電倍增器陣列來說，這是大自然賦予的理想工作平臺。

“貝加爾湖仿佛是為這類研究而生的?！表椖康目蒲腥藛T拜爾·沙伊博諾夫（Bair Shaybonov）說道。

工程建設于2015年開始，第一階段包括懸吊于湖泊深處的2 304個球形光探測器，按照計劃，等到2021年4月冰層融化時就能完工。（這些球體年復一年始終懸吊在水中，探測中微子，通過水下光纜，發(fā)送數(shù)據(jù)給位于湖岸基地處的科學家。）

貝加爾湖望遠鏡是在向下觀測，就像鏡筒穿過整個地球，從地球?qū)γ嫔斐鰜?，對準銀河系中心和遠方，本質(zhì)上是將地球當作巨大的篩子來使用。大多數(shù)情況下，擊中地球另一面的更大粒子最終會與原子相撞。但幾乎所有中微子——每秒鐘有一千億個中微子穿過你的指尖——會繼續(xù)前行，基本上始終沿著一條直線。

然而，當一個中微子極其罕見地擊中水中的原子核時，它會產(chǎn)生圓錐形的藍光，科學家稱之為切連科夫輻射。這個效應是由蘇聯(lián)物理學家帕維爾·切連科夫（Pavel A.Cherenkov）發(fā)現(xiàn)的，他也是多莫加茨基博士在莫斯科核研究所的前同事，兩人曾在同一條走廊旁的辦公室工作。

許多物理學家相信，假如你花費數(shù)年時間監(jiān)測十億噸深層水體，尋找不可思議、屬于切連科夫輻射的微小閃光，你最終會發(fā)現(xiàn)一些能夠追溯至宇宙暴發(fā)的中微子，這些中微子是數(shù)十億光年之外的宇宙暴發(fā)事件放射的。

圓錐形藍光的方向甚至能揭示引起藍光的中微子的準確方位。中微子不帶電荷，不會受到星際、星系際磁場及其他作用的影響，而諸如質(zhì)子和電子等其他種類的宇宙粒子就會受到上述影響，路徑會受到擾亂。中微子會如愛因斯坦引力論所允許的那樣筆直穿過宇宙。

這個特征使得中微子對于宇宙最早期、最遙遠和最猛烈事件的研究價值巨大。中微子能夠幫助解釋其他謎團，譬如質(zhì)量遠大于太陽的恒星坍縮成直徑約為12英里（近20千米）、超密的中微子球，并放射出巨量中微子時，都發(fā)生了什么。

多莫加茨基博士談起中微子時說：“中微子穿越宇宙，實際上從不與任何東西、任何人相撞。對于它而言，宇宙是透明的?！?/p>

貝加爾湖南端的一座舊鐵路建筑被改造成食堂，供在觀測設施工作的科學家用餐

貝加爾湖的冰面上呈現(xiàn)的圖案

2月和3月，項目組的60名科學家都要在貝加爾湖營地里安裝和維修部件

因為貝加爾湖望遠鏡實質(zhì)上是透過地球觀測遠方，所以它研究的實際上是南半球的天空。這使得它成為位于南極洲的“冰立方”的良好補充，而歐洲國家在地中海中建設的項目（目前處在建設初期）也是如此。

“我們需要在北半球有一個類似‘冰立方’的設施。”施皮林博士說道，他同時參與了“冰立方”和貝加爾湖項目。

多莫加茨基博士說，他的研究團隊早已與其他地方的中微子搜尋團隊交換數(shù)據(jù)，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能支持“冰立方”團隊結(jié)論（關于來自外太空的中微子）的證據(jù)。然而，他承認，在近乎實時識別中微子所必需的計算機軟件開發(fā)方面，貝加爾湖項目遠遠落后于其他團隊。

縱然項目意義重大，但它的運作仍然僅僅依靠一筆金額很小的預算，每年的2月和3月，水下望遠鏡項目組將近60名科學家?guī)缀醵家谪惣訝柡I地里安裝和維修部件。相比之下，“冰立方”項目共有約300名科學家參與，其中大多數(shù)人從未去過南極。

這段日子里，多莫加茨基博士不再參加每年冬季的貝加爾湖考察行程。歷經(jīng)蘇聯(lián)時期、混亂的90年代和普京統(tǒng)治下的20多年，他仍然在蘇聯(lián)時期的核研究所工作，夢想尋找到中微子。

“假如你承擔一個項目，你必須明白，無論發(fā)生任何情況，你必須將它變成現(xiàn)實。”多莫加茨基博士用力敲打辦公桌，以示強調(diào)，“要不然的話，就算啟動項目也毫無意義?！?/p>

資料來源 The New York Times