在地中海下方建造一个巨大的中微子猎人

中微子的运动速度可能快于光速，也可能慢于光速，但无论如何，它们都是特殊的小东西。它们穿过地球、穿过你、穿过一切；但由于它们不带电荷且微不足道，与周围环境的相互作用微乎其微，以至于其他粒子几乎不会注意到它们。

这些亚原子粒子非常微小，而且非常稳定，几乎无法被看见，但它们起源于宇宙中一些最剧烈、最具破坏性的过程。来自深空的高能中微子被称为天体物理中微子，它们从宇宙最强大地方的黑暗中心逃逸出来——伽马射线爆发、耀变体和类星体，以及星系中心的黑洞。它们可以充当来自这些动荡地方的宇宙信使，但首先我们必须找到它们，而这非常困难。因此，欧洲科学家正计划建造人类有史以来建造的第二大建筑，就是为了寻找它们。

点击打开照片库

位于地中海 3,200 英尺深的海底，名为 KM3NeT 的中微子探测器将注视海底，试图观测中微子穿过地球的过程。该探测器占地 3 立方公里，还将作为世界上最繁忙水域之一的新海洋观测站，帮助生物学家聆听鲸鱼的声音并研究生物发光生物。参与该项目的国家核物理研究所研究员、物理学家乔治奥·里科贝内 (Giorgio Riccobene) 表示，这将是继中国长城之后人类建造的最大建筑物。“问题是没有人会看到它，”他笑着说。

里科贝内表示，他们的目标是找到源自宇宙大灾变的天体中微子。它们可以帮助解释宇宙射线的起源，宇宙射线是从未知来源降​​落到地球上的质子流。为了穿过我们星系、太阳和地球本身提供的磁场，这些宇宙射线必须非常强大，但宇宙射线不会像光那样指向它们的来源。中微子可以帮助重建它们的路径。

“在这些能量下，”里科贝内说，“唯一能够从非常遥远的源头发出的高能粒子是中微子。因此，通过观察它们，我们可以探索遥远而剧烈的宇宙。”

完成这项工作所需的巨大探测器是全欧洲共同努力的结果，包括来自英国和罗马尼亚等 10 个国家的 40 个研究所或大学团体。11 月 24 日，意大利研究部批准拨款 2080 万欧元（2770 万美元）用于探测器的第一部分，包括 30 个水下塔，配备 37,200 个光电倍增管模块。这些小型数码相机将捕捉预示中微子到来的闪光。

中微子的本质

直到今年秋天，意大利物理学家声称中微子的速度超过光速，这一说法仍备受争议，并成为新闻头条，在此之前，大部分公众可能从未听说过“中微子”这个词。OPERA 实验观测到的所谓高速中微子是在质子束中产生的，这些质子束从日内瓦被抛到阿尔卑斯山脚下的格兰萨索山，格兰萨索山是一座位于意大利物理实验室顶部的山峰。该实验中的中微子被监测以寻找振荡迹象，这是中微子众多奇异行为之一，这些行为让中微子变得有趣。（超光速的发现过去和现在都完全出乎意料。）

通过观察地球上的中微子，物理学家可以探索遥远而剧烈的宇宙。中微子是在某些类型的放射性衰变中形成的，包括在太阳、核反应堆中以及宇宙射线与其他物体的碰撞中。根据粒子和力的标准模型，中微子有三种类型，称为“味”：电子中微子、τ中微子和μ中微子。中微子可以在这三种味之间变化，日本和美国利用这一奇怪现象来研究宇宙为何是由某种东西而不是虚无构成的。

它们是中性的——因此这个名字由恩里科·费米创造，在意大利语中意为“小中性粒子”——这意味着它们可以几乎不受阻碍地穿过其余的现实世界。麻省理工学院的粒子物理学家彼得·费舍尔举了一个例子：将一个高能电子射过一块厚度为 3 厘米的金属，它将与金属原子中的其他粒子相互作用。在这些碰撞中，它将损失大量能量，从而产生其他可以被探测到的亚原子粒子。

“对于具有相同能量的中微子，你需要大约一光年的重金属，因为中微子的相互作用强度要小得多，”费舍尔说。“每当你探测到一个粒子时，你总是在让粒子与某种物质相互作用，无论是水、钢、空气还是冰。粒子相互作用越少，你需要的相互作用材料就越多。”

KM3NeT 不会使用光年大小的金属块，而是利用海洋。它的工作原理如下：在宇宙的某个地方，宇宙中最强大的力量之一将亚原子粒子分裂成它们的组成部分，产生超能中微子。偶然地，其中一些粒子可能会前往我们的星系并到达地球，在那里它们可能会引起带电粒子的反应。Riccobene 解释说，可以把它想象成一场台球游戏。

“中微子是击碎‘城堡’的子弹，‘城堡’是组成原子核的一组台球。当它击碎这座城堡时，就有可能产生一个向外发射的粒子，”他说。如果它是一个介子——一个带电的亚原子位，比电子大得多——那么这是个好消息。介子的形成会辐射出一束蓝光，被称为切伦科夫辐射。如果物理学家幸运的话，那道闪光会发生在清澈而深的介质中，比如南极冰层或地中海深处。

“这就是我们要寻找的光，用来重建μ子的轨迹，”里科贝内说。“所以从这个意义上说，它是一台水下望远镜。水让我们能更清楚地看到反应。”

通过俯视地球，探测器将发现大气中杂散中微子的几率降至最低。除了充当探测介质外，数千英尺深的海水还充当了次级粒子屏障。

三公里长的网

实现这些光观测的技术相当复杂，这并不令人意外。检测这些蓝色闪光的光学传感器称为光电倍增管，每个光电倍增管都可以记录单个光子产生的电子信号。在之前的探测器中，包括 IceCube 和 Antares 和 AMANDA 等前身，光电倍增管是单维的并安装在弦上。KM3NeT 将它们放入称为数字光学模块的球形压力容器中，然后将其安装到水下塔上。

“这将提高分辨率和跟踪能力，”Riccobene 说道。“如果使用单个大面积光电管，你会错过到达方向的信息，但使用多个小尺寸的光电管，你就能知道方向。”

塔网络仍有几种可能的配置，但整个塔将覆盖几立方公里的体积，这也解释了为什么它被称为 KM3NeT，即立方公里中微子望远镜。塔本身将高 800 多米（2,624 英尺），目前仍处于规划阶段，预计高度将超过迪拜的哈利法塔（2,723 英尺）。

光学模块将承受 6 个大气压，大约相当于海平面以下 20,000 英尺的压力。每个 17 英寸球体将容纳 31 个 3 英寸光电倍增管，每个光电倍增管周围都有一个聚光环，以进一步增加光收集面积。DOM 还将包含校准传感器，如声学压电传感器、指南针和倾斜仪以及纳米信标。

它们将安装在 20 英尺长的杆上，每个检测单元将连接 40 个杆。Riccobene 说，探测器看起来就像一系列海底塔。每立方公里水中将有大约 100 个单元。整个网络通过中央不锈钢管连接，其中包含光纤，用于将探测器连接到几英里外的岸上站。

KM3NeT 的设计灵敏度比 IceCube 更高，至少在探测大气中微子方面是如此，物理学家可以实际测试这一点。但就天体物理中微子而言，没有人知道它的分辨率是多少。

“没人见过它们，”里科贝内说。“我们预计每秒可以探测到大约 3,000 个大气中的 μ 子，但对于天体物理中的 μ 子，这仍然是一个猜测。”

Riccobene 表示，光电倍增管模块已在建造中，随着工程师们继续规划，多个模块已在各个测试阶段部署。截至目前，探测器的最终设计仍不确定，因为来自几家欧洲研究机构的资金也不确定。有几个选择，包括比 IceCube 大五倍的巨型探测器，或者将其分成三个探测器，分布在三个不同的地点。KM3NeT 甚至可以与现有探测器协同工作，包括一个名为 Antares 的小型欧洲探测器。

KM3NeT 是迄今为止最大的探测器，但它也只是众多超大超灵敏探测器中的最新一个。与其最接近的 IceCube 探测器不到一年前才建成，其全强度观测能力下第一年的数据甚至还要六个月才能获得。IceCube 的发言人、马里兰大学物理系教授兼副主任 Greg Sullivan 表示，研究人员已经看到大量在地球上空产生的大气中微子，但没有看到天体物理中微子——至少目前还没有。

“我们设定了一些有趣的限制，并开始排除一些模型，”他说。“有些参数理论家还不知道。”

IceCube 和 KM3NeT 在许多方面都很相似——两者都使用地球作为过滤器来阻挡背景辐射并寻找中微子，并且都使用深而稠密的介质来寻找切伦科夫光。但它们观察天空的不同部分——IceCube 观察北部天空，而 KM3NeT 观察南部天空，顺便说一下，这是从这个星球看到的银河系中心的方向。Sullivan 说，IceCube 也小得多，只有一立方公里，而 KM3NeT 只有三立方公里。

“建造大型中微子望远镜的想法已有几十年历史，[物理学家]一直认为在深水中建造最容易。事实证明，由于现有的基础设施，在南极建造中微子望远镜相对便宜且高效，”他说。

当你寻找中微子之类的东西时，你需要尽可能大的空间体积。但当你寻找通量如此低的东西时，你需要尽可能大的体积，所以冰立方可能不够大。当 KM3NeT 首次被设想时，物理学家们考虑建造另一个与冰立方大小相同的天文台，但早期的结果——或者说缺乏结果——促使他们把它做得更大，里科贝内说。他说，KM3NeT 的威力将比冰立方大两到三倍。

然而，并非所有人都认为这是正确的策略。麻省理工学院的费舍尔想知道，在物理学家开始思考他们似乎无法找到天体中微子的其他原因之前，多大才算足够大。

“物理学界有一部分人认为，这些粒子的能量比加速器中产生的粒子高，这是事实。它们可能会告诉我们一些关于宇宙的不同的东西，这是事实。但这一切都是‘可能’。而且我还没有从这些实验中看到任何新的东西，”他说。“我的看法是，如果你看到了什么，如果大型强子对撞机产生了一些有趣的新粒子，并且你对其属性有所了解，那么你就会知道要寻找什么以及要建造什么样的探测器。但只是建造越来越大的探测器到目前为止还没有奏效。”

KM3NeT 的合作者仍在研究能够提高成功率的算法，包括模式识别过程和光学模块错误率。

复杂物理推动新合作

至少，在尝试了解超强亚原子粒子之间复杂的相互作用的同时，这些巨大的观测站也为其他科学家带来了一些额外的好处。为了更好地了解他们的探测器——海洋——KM3NeT 科学家正在与海洋学家合作，Riccobene 说。

“海洋是我们的探测器，我们必须知道我们的探测器是如何工作的，”他说。“主要问题之一是深海细菌发光，这可能会影响我们的光电倍增管。我们需要一位生物学家来说明预期范围是多少，与洋流的相关性是什么，等等。另一方面，这是一种非常灵敏的仪器，这些光电倍增管可以帮助他们在深海发现新事物。”

光学模块还将配备水听器，海洋学家可以使用它来聆听鲸鱼的歌声。

沙利文表示，IceCube 团队一直在与研究冰芯的研究人员合作。南极冰层中嵌入的尘埃颗粒可以提供 10 万年的火山活动记录，这些岩芯样本对冰川学家和钻取岩芯以插入摄像机的物理学家一样有用。

去年冬天，KM3NeT 联盟发布了一份重要的技术报告，详细介绍了探测器配置的选项，大部分技术难题已经解决。目前，建造这个庞大的结构是一个资金和欧洲地缘政治的问题。例如，其中一个主要合作者位于希腊，该国受到了全球金融危机的重创。Riccobene 表示，仍有几种选择，他相信该项目将继续推进。意大利部分获得资金后，初步建设将于明年某个时候开始。

如果 KM3NeT 确实实现了其计划的能量范围分辨率（从几百千兆电子伏到大约几十亿兆电子伏），那么将有很多东西需要寻找。在这些范围内，物理学家可能能够寻找奇异粒子，如单极子或暗物质候选者。但主要目标仍然是天体中微子，这是宇宙中最常见的粒子，也是最独特的粒子之一。