為何正物質比反物質多？美國要在千米深的廢金礦里做個大實驗

被稱為「宇宙隱形人」的中微子，雖然質量很小，與其他粒子相互作用微弱，但它可能解決一些粒子物理和宇宙形成中的核心問題。比如，為何宇宙是由物質而非反物質構成的？這一神奇粒子已催生4個諾貝爾獎，科學家們從未停下研究中微子的腳步。

當地時間7月21日，美國物理學家和能源部官員齊聚南達科他州的一個廢棄金礦井，宣布美國又一個大型粒子物理實驗項目：長基線中微子設施（Long-Baseline Neutrino Facility，LBNF）動工了。

該實驗計劃用美國費米實驗室的加速器產生中微子，再發射到一個13公里以外廢棄金礦井的粒子檢測器中。中微子的第三種形態，τ中微子，就是費米實驗室在2000年發現的。規劃中的地下檢測器（Deep Underground Neutrino Experiment，DUNE）接近四層樓高，內部充滿液態氬。工人們需要在1480米深的地底下挖出巨大的洞穴，拉出足有十幾架飛機重量的石頭，再運進7萬噸的液氬。

科學家們將研究中微子與氬原子之間的相互作用，以進一步了解這些難以捉摸的粒子，此外，該項目將試圖尋找中微子和反中微子之間細微的不對稱，這可能是解釋新生宇宙產生的物質為何比反物質多得多的關鍵。

30個國家的聯合項目

早在2001年，科學家們就提議建立這個檢測器，將其列為國家科學基金會（NSF）贊助的霍姆斯托克實驗室的一部分。

然而，直到2010年，國家科學委員會仍未通過這個方案，把建立中微子實驗室的計劃甩給了能源部。此後，科學家們和能源部官員就一直在為經費問題扯皮。2014年，國家科學委員會和能源部同意按照最初的方案，用15億美元的總預算建立實驗室，並將它變成一個國際項目。

如今，該國際項目包含來自30個國家、160多個機構的近千名科學家和工程師。該項目的主要合作夥伴，歐洲核子研究中心（CERN），已經開始建造DUNE的原型探測器，並將在南達科他州建立第一個低溫保持器。

廢棄的霍姆斯托克金礦

「開啟這個實驗項目建設讓我們感到興奮。」南達科他州科技局局長麥克·霍德利說（Mike·Headley）。霍德利還是美國斯坦福地下研究實驗室（SURF）的領導者。該實驗室在2006年建立於霍姆斯托克，並獲得了慈善家丹尼·斯坦福7000萬美元的捐贈。

挖出790噸岩石

現在，工程師和工人們必須對SURF進行擴張。他們需要炸出4個長70米，寬20米，高29米的模塊用於儲存液氬。費米實驗室的土木工程師兼LBNF項目常規設施經理特雷西·蘭丁（Tracy Lundin）估計，他們要挖出790噸岩石。整個挖掘工作會持續3年左右。

不過，蘭丁表示，在地下建築行業，這只是一個中到中大型的項目，這座礦的岩體應力條件不錯，能夠減少在開挖過程中發生斷裂或移位的風險。

運進7萬噸液氬

挖掘工作完成後，工作人員還要運進以百萬升計的液氬。氬是單原子分子，單質為無色、無臭和無味的氣體，氬的化學性極不活潑。

把幾百萬升液氬運進去，在工程學上是個大挑戰。他們需要建造一些儲存液氬的鋼罐，鋼罐的內膽是一層薄薄的波紋鋼板構成，外面包裹一層厚厚的絕緣層和一個外鋼支撐結構。這種膜冷凍技術，常用於輪船運輸液化天然氣。不過，在千米深的地底下，這可比建造油輪難多了。

「能夠下礦井的單塊鋼板尺寸是有限的，所以我們需要設計一個能將鋼板一塊塊地拴在一起，並且同時承受住液氬壓力的東西。」費米實驗室的物理學家兼DUNE技術協調員埃里克?詹姆斯（Eric James）說道。

把液氬送到實驗室也不是一件容易的事。由卡車運輸的話，每次20噸，一共要運輸3500次。費米實驗室的機械工程師兼LBNF採購經理特洛伊?拉克（Troy Lark）表示，「所有的液氬供應商都在墨西哥灣沿岸和東海岸，因此，怎麼把大量液氬帶到南達科他州是個棘手的問題。」

費米實驗室和金礦相距13千米

拉克稱，「基於在1480米管道底部的巨大壓力，直接把液氬運送到地下是不可能的。」 因此，工人們通過管道輸送氣態的氬，並在地底下，用-185.8℃的低溫下將其重新凝結。蒙塔納估計，用液氬填充四個模塊需要7個月到1年左右的時間。

在美國南達科他州的霍姆斯特克金礦山，民用設施和基礎設施的建設工作十分昂貴。美國能源部2018年度財政預算要求將這兩項的費用控制在3.98億美元。

內核硬體仍未獲批

不過，DUNE項目的內核尚未得到能源部的批准。詹姆斯表示，費米實驗室和歐洲核子研究中心的研究人員仍然在進行原型探測器的研究和設計，他們希望在2019年前得到啟動探測器硬體建設的批准，並在2024年前完成建造。詹姆斯還提到，美國將承擔該探測器25%的成本費用。

中微子是一種基本粒子，電中性，質量極小，在自然界廣泛存在。由於與其他物質的相互作用十分微弱，中微子時常被忽略，但實際上每秒鐘通過我們眼睛的中微子數量數以億計。它有三種類型，電子中微子、μ中微子和τ中微子，可以進行互相變形和震蕩。2015年，諾貝爾物理學獎授予中微子振蕩現象的發現者，這一現象揭開了中微子「神秘失蹤」之謎。

通過發射μ中微子到地下檢測器中，物理學家可以勾畫出中微子震蕩的本質，將此前的理論放在實驗中推敲。

中國主導的大亞灣核反應堆中微子振蕩實驗，同樣是一個多國參與的大型粒子物理項目。大亞灣曾於2012年發現一種中微子振蕩新模式，並獲得2016年的國家自然科學一等獎。

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