“托勒密的猫头鹰”窥视原初中微子

每一天的每时每刻，有数亿、数十亿的中微子快速地穿越了每个人的身体，人们却丝毫没有感觉到“身体欠安”，宇宙学家相信，太空中密密麻麻的中微子不会对人们的身体产生任何伤害，而在太空弥散飞舞的亚原子粒子——中微子被认为来源于宇宙大爆炸的时刻，主要不是来自于太阳恒星或其它的中微子源。科学家期待在实验的基础上验证一个事实，中微子主要来源于宇宙诞生的“原点”时刻，物理实验的成果将会奠定早期宇宙学和中微子物理学的基础，然而，科学探索没有请客吃饭或做文章那么容易。

如何解释中微子的特性？它们的运动轨迹几乎不受任何物体的阻挡，如同暗物质粒子一般“神出鬼没”地穿行在宇宙太空。中微子轻易地穿透了一光年厚的铁板，它们在铁板内自由地穿行，好似在空旷的真空自由流动。普林斯顿大学设立了普林斯顿等离子体物理学实验室(PPPL)，物理学家克里斯·塔利带领了一支科学团队，他们设定了中微子搜索的科学目标，以探测中微子奇异特性的物理事实。从宇宙大爆炸时刻产生的中微子遗存物质几乎没有任何的质量，科学家发现“来去自由”的中微子可以被氚元素物质捕获，而氚元素是氢元素的放射性同位素，氚元素衰变释放了能量，对电子或贝塔粒子产生了微小的推动作用。

物理学家塔利在PPPL建构了一个原型实验室，通过测量电子导入带来的额外能量，科学团队探测到了中微子的存在，测量的精确性高出了以往的实验。源于宇宙大爆炸的中微子信号十分微弱，对原初中微子的测量好似在一个人声鼎沸、坐满观众的运动场检测运动员心跳的微弱信号一样。实验室项目的工程负责人查尔斯·金泰尔和一支工程团队在实验室建造的过程中付出了很大的努力。物理学家塔利将实验项目定名为“托勒密”或“普林斯顿对于光和早期宇宙大数量中微子产生机制的氚元素观测台”。托勒密是古希腊时期的天文学家，公元一世纪，生活在古埃及的托勒密写出了最主要的科学著作《天文学大成》，而古希腊科学的集大成者亚里斯多德继承了托勒密的天文学说。

普林斯顿的科学团队创造了迄今最暗、最冷的实验条件，他们对电子能量的检测精度达到了对中微子质量检测的程度。一直以来，科学家始终认为中微子没有一点质量，为了实现极其严苛的测量条件，科学团队创造了目前最暗、最冷的物理实验环境，而实验物理的理论基础是量子电子学，量子力学描述了亚原子粒子的运动和方向。它是物理学的一个分支，量子力学专门探索诸如电子行为的量子物理效应。如何在实验室探测到宇宙大爆炸遗存的中微子？科学团队植入了微小的额外能量。未来的物理诺奖可能再次出现在量子物理领域，量子计算机和量子通讯领域获诺奖的可能性很大。

宇宙大爆炸遗存的中微子能够提供的额外检测能量非常少，能量的植入特性与中微子的物理属性有关，原初中微子的波长在宇宙时空的大膨胀过程中被不断拉长，宇宙背景温度逐渐地冷却，而宇宙时空经历了大约138亿年的持续膨胀，持之以恒的空间大膨胀使得从宇宙大爆炸中诞生的中微子冷却下来，温度下降了数十亿倍，宇宙中微子与太阳中微子相比通常只有很少的能量，当氚元素捕获冷中微子时，产生了一个狭窄的能量峰值，仅高于从氚元素衰变释放的电子的最大能量值。

对大爆炸遗物中微子探测的困难性不会轻易结束，中微子采用了不同的形态，它们的能量峰值可能高一些或低一些，中微子的能量峰值取决于两个因素，一个决定性的因素是中微子是否拥有自己的反粒子或反中微子，好似普通的物质粒子拥有相应的反物质粒子；另一个决定性的因素是中微子是否不同于反中微子。假如中微子在几十亿年的衰变中变成了某种未知的更轻一些的粒子，那么中微子的能量峰值可能不会出现，科学家也将难以检测到原初中微子的活动轨迹。

（编译：2014-12-30）