廢棄金礦中的實(shí)驗(yàn)圣地

美國南達(dá)科他州的霍姆斯塔克金礦曾是整個(gè)北美最大、產(chǎn)量最高的金礦，在它上百年的歷史中，人們采掘出了約125萬千克的黃金。不過，現(xiàn)在讓這里聞名世界的不是黃金，而是粒子物理。一個(gè)多世紀(jì)以來，人們對(duì)黃金的渴求驅(qū)使礦道不斷向地下深處延伸，使得霍姆斯塔克金礦也成了北美最深的金礦。在礦井深處，上千米厚的巖層成了極佳的天然屏障，幫助物理學(xué)家屏蔽掉宇宙射線，讓粒子物理實(shí)驗(yàn)中那些微弱而又罕見的信號(hào)免受干擾。

美國物理學(xué)家雷蒙德·戴維斯(Raymond Davis)很早就注意到了霍姆斯塔克金礦的絕佳條件，1965年，他在礦井內(nèi)地下1478米處設(shè)立了實(shí)驗(yàn)裝置，用380萬升四氯乙烯來捕捉中微子。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)來自太陽的中微子比理論預(yù)言少了2/3(后來的研究證明，這是三種中微子互相變換的“中微子振蕩”導(dǎo)致的)，并因此獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2002年，霍姆斯塔克金礦停止了運(yùn)營，但留下的礦道卻可以創(chuàng)造出一座物理學(xué)的“金礦”。在接下來的幾年中，桑福德地下研究所(Sanford Underground Research Facility)在這里建立起來，成為了美國最深的地下物理實(shí)驗(yàn)室。有多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇了桑福德地下研究所，其中最著名的可能要數(shù)大型地下氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)(LUX)，它計(jì)劃利用液態(tài)氙來探測WIMP——目前最被物理學(xué)家看好的暗物質(zhì)粒子候選者。

桑福德實(shí)驗(yàn)室

與LUX同在地下1478米深處的，還有另一個(gè)雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，馬約拉納演示器(Majorana Demonstrator)。該實(shí)驗(yàn)所要尋找的是一種叫作“無中微子雙β衰變”的現(xiàn)象，如能有所斬獲，那么按德國馬普所的物理學(xué)家伯恩哈德·施溫根霍伊爾(Bernhard Schwingenheuer)的說法，“這將是一個(gè)重大突破，比發(fā)現(xiàn)希格斯粒子更重大。”

β衰變是極為常見的現(xiàn)象，在放射性元素的原子核中，有時(shí)某個(gè)中子會(huì)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，自己轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，原子核也就變成了另外一種元素，這個(gè)過程就是β衰變。還有些時(shí)候，由于某些條件的限制，原子核中必須有兩個(gè)中子同時(shí)發(fā)生衰變，各自釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，變成兩個(gè)質(zhì)子，這就是雙β衰變。雙β衰變極為罕見，某些會(huì)發(fā)生這種衰變的放射性元素半衰期高達(dá)1020 年，但物理學(xué)家還是成功地在實(shí)驗(yàn)中找到了這種現(xiàn)象。

此外，在理論上還可能存在另一種衰變方式：兩個(gè)中子同時(shí)衰變，但只會(huì)釋放出兩個(gè)電子，變成兩個(gè)質(zhì)子，整個(gè)過程沒有出現(xiàn)任何中微子。這種“無中微子雙β衰變”，只有當(dāng)中微子是“馬約拉納粒子”的時(shí)候才可能出現(xiàn)。

早早消失的物理天才

馬約拉納粒子得名于最早提出它的意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納(Ettore Majorana)。馬約拉納活躍于20世紀(jì)二三十年代，那個(gè)物理學(xué)風(fēng)起云涌，群星閃耀的時(shí)代。即使是在那個(gè)物理學(xué)盛世中，他也是讓人印象尤為深刻的一位物理學(xué)家，這不僅是因?yàn)樗兄鱾饔谑赖膶W(xué)術(shù)成就，也因?yàn)樗缴跏瞧嫣亍?/p>

馬約拉納是一位極具個(gè)性的研究者，他雖然喜歡研究物理、探索自然之秘，卻不喜歡發(fā)表論文。當(dāng)居里夫人的女兒伊雷娜·居里和弗雷德里克·約里奧在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)一種疑似伽馬射線的神秘粒子時(shí)，馬約拉納就指出，這應(yīng)該不是光子，而是一種更重的中性粒子。當(dāng)時(shí)他在著名物理學(xué)家恩里克·費(fèi)米的研究團(tuán)隊(duì)中，費(fèi)米建議他就此寫一篇論文，卻被他拒絕了。之后詹姆斯·查德威克證實(shí)這種粒子的確是新粒子，也就是中子，并因此獲得了1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此后，馬約拉納繼續(xù)著他對(duì)物理學(xué)的純粹探索，他改寫了描述費(fèi)米子(費(fèi)米子指的是電子、質(zhì)子之類構(gòu)成物質(zhì)的粒子，與之相對(duì)的是玻色子，即光子、膠子等傳遞作用力的粒子)的狄拉克方程，在他的新方程中，粒子與其反粒子是完全相同的，也就是說，粒子的反粒子就是自己本身。這次，費(fèi)米吸取了中子的教訓(xùn)，親自撰寫了一篇論文，以馬約拉納的名義在1937年發(fā)表于歷史悠久的意大利物理學(xué)期刊Il Nuovo Cimento上，這才沒有讓馬約拉納的天才研究被埋沒。

新方程描述的粒子被稱為馬約拉納粒子。時(shí)至今日，物理學(xué)家并未發(fā)現(xiàn)真正的馬約拉納粒子，但很多人，包括馬約拉納本人都懷疑中微子就是這類粒子。若果然如此，那么兩個(gè)中微子(或兩個(gè)反中微子)相遇時(shí)，其實(shí)也就相當(dāng)于正反中微子相遇，可以發(fā)生湮滅。這樣,本應(yīng)在中子的衰變過程中釋放出來的兩個(gè)反中微子就互相抵消、憑空消失了，使得雙β衰變成為了無中微子雙β衰變。

而在提出馬約拉納粒子后不久，馬約拉納本人也仿佛湮滅的粒子一樣人間蒸發(fā)了。1938年3月，他登上了前往西西里首府巴勒莫的航船，從此神秘失蹤。雖然有證據(jù)顯示他在目的地登岸了，卻再也沒有人見過他。有人認(rèn)為他自殺了，也有人相信他避世隱居，但無論哪種說法都沒有可靠的證據(jù)。馬約拉納去向如何，成了物理學(xué)史上永遠(yuǎn)難解的謎。

尋找馬約拉納粒子

馬約拉納粒子，成了這個(gè)天才留給世界的最后一份禮物。如能發(fā)現(xiàn)無中微子雙β衰變，證明中微子真的是一種馬約拉納粒子，那么物理學(xué)家就可能解開中微子質(zhì)量之謎，甚至還有可能觸及超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)。

現(xiàn)在我們知道，中微子的質(zhì)量不為零，但卻很小，與電子差了五六個(gè)數(shù)量級(jí)。如果中微子的質(zhì)量同其他粒子一樣，源于與希格斯粒子的相互作用，那它的質(zhì)量應(yīng)該要大得多才對(duì)。有一種理論可以解釋中微子質(zhì)量為何如此之小，按照該理論，中微子必須是馬約拉納粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型有一個(gè)輕子數(shù)守恒定律，就是說正輕子個(gè)數(shù)減去負(fù)輕子個(gè)數(shù)得到的差值是保持不變的。(“輕子”指的是電子和中微子等粒子，與中子和質(zhì)子這樣的“重子”相對(duì)。)例如，在β衰變中，衰變前只有一個(gè)中子，輕子數(shù)為0;衰變后成為質(zhì)子0、電子1和反中微子-1，輕子數(shù)仍為0。但如果真的存在無中微子雙β衰變，反應(yīng)前后的輕子數(shù)就由2個(gè)中子的0變成了2個(gè)電子的2，打破了輕子數(shù)守恒定律。這不僅意味著我們可能需要超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)(比如某些超對(duì)稱模型就預(yù)言了輕子數(shù)守恒會(huì)被破壞)，還有可能幫助我們搞清楚為何宇宙在誕生之后，正反物質(zhì)會(huì)變得不平衡。

在桑福德地下研究所最底層的一間超凈室中，馬約拉納演示器的29個(gè)單晶鍺棒靜靜地矗立在零下196攝氏度的液氮中。這些富含同位素鍺76的晶體是從俄羅斯運(yùn)來的，為了盡量避免宇宙射線照射鍺原子，生成可能帶來干擾的放射性元素，這些重要貨物一路上不但不能乘飛機(jī)，連行車路線的海拔高度都要小心。為了屏蔽外來輻射的干擾，研究者會(huì)在鍺棒外面設(shè)置多層防護(hù)，最里面是兩層五厘米厚的超純凈銅，之后是45厘米厚的鉛磚，用來阻擋伽馬射線。再外面還有聚乙烯、塑料和氮?dú)獾冉M成的三層屏障，用來阻擋中子、宇宙射線μ子和放射性的氡。

一旦某個(gè)鍺76原子發(fā)生了無中微子雙β衰變——估計(jì)每1025年會(huì)有那么一次。釋放出的兩個(gè)電子將會(huì)讓一連串原子電離，從而在晶體棒一端連接的電極中產(chǎn)生電流脈沖，讓研究者可以探測到關(guān)乎中微子真實(shí)身份的寶貴信號(hào)。

正如其名字，馬約拉納演示器其實(shí)只是個(gè)演示裝置，來證明該試驗(yàn)?zāi)苡行У乜刂票尘靶盘?hào)干擾?？茖W(xué)家計(jì)劃在未來建造下一代實(shí)驗(yàn)裝置——使用了1噸重鍺晶體的大型探測器。而除了馬約拉納演示器，還有多個(gè)尋找無中微子雙β衰變的項(xiàng)目，例如藏身于美國新墨西哥州一個(gè)廢棄鹽井中的EXO-200項(xiàng)目，正在監(jiān)測200千克液態(tài)氙中發(fā)生的無中微子雙β衰變。意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的GERDA項(xiàng)目則與馬約拉納演示器合作組成了大型濃縮鍺無中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)聯(lián)盟，合作搜尋中微子即是馬約拉納粒子的證據(jù)。

事實(shí)上，中微子可能并非馬約拉納粒子的唯一候選者。例如，超對(duì)稱理論認(rèn)為，每個(gè)費(fèi)米子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的玻色子，反之亦然，那么光子的超對(duì)稱伙伴粒子就應(yīng)該是一種馬約拉納粒子。更完整的物理學(xué)可能還需要更多的馬約拉納粒子。

盡管馬約拉納短暫的學(xué)術(shù)生涯在1938年戛然而止，但他留下的理論，依然在物理學(xué)最前沿續(xù)寫他的傳奇。