一台非同寻常的巨型机器即将启动，开始研究一种神秘莫测的粒子，以期揭开宇宙中深藏的奥秘。

2006年，Katrin的主光谱仪在运往德国城市卡尔斯鲁厄的途中。该项目定于2018年6月启动

在德国西南部卡尔斯鲁厄市的郊区，工程师们在当地的理工学院里，安放了一个比蓝鲸还大的不锈钢装置。它像极了一艘齐柏林飞艇（一种硬式飞艇），或是那种软式飞艇。

这台设备是世界上最大的真空室之一，内部气压低于月球表面气压。它旨在解决一个复杂的难题：测出宇宙中最微不足道的物质——中微子——的质量。

每秒钟，会有数十亿颗中微子穿过我们的身体。太阳每分钟都会向宇宙中发射出数万亿颗中微子。138亿年前的宇宙大爆炸也遗留下了不计其数的中微子。

在宇宙中，中微子的数量比其他任何类型的粒子都要多，但几乎没有什么可以阻止这位宇宙中轻量级选手的运动。

由于不跟其他物质相互作用，它们让科学家伤透了脑筋。中微子能够刷新我们对重要宇宙学问题的认识，包括暗物质的性质以及不断膨胀的宇宙的未来命运。

但很遗憾，这种不能承受之轻使它们格外神秘莫测。

开展卡尔斯鲁厄氚中微子实验（又名Katrin）的决定由此诞生。

该实验旨在测定由氢同位素氚发射的电子和中微子的行为，揭示它们在穿过真空室时发生的轻微路径变化。这些变化应能揭示有关中微子物理性质的精确细节，尤其是它的质量。

“在筹备Katrin的过程中，我们将技术运用到了极限。”该项目负责人吉多·德雷克西林（Guido Drexlin）说，“除了在其内部营造出近乎真空的环境之外，我们还必须保持装置内氚的温度，它是仪器内中微子的来源，将其维持在绝对零度以上30℃的水平。我们还要严格控制机器内部的磁场，实质上相当于给整个建筑消磁。”

Katrin的规划和建设用了十多年时间。

德国纳税人通过国家资助的亥姆霍兹联合会，为这项实验出资6000万欧元，美国、俄罗斯、捷克和西班牙共同出资600万欧元，它们也将参与一部分研究。

目前，Katrin已进入最后试验阶段，明年6月将全面投入运行，不过之后，科学家还要花五年时间收集数据，才有望掌握足够多的信息，以对中微子质量作出准确估测。

“即便到那个时候，我们可能还得启动第二阶段的实验，才能找到所需的答案。”德雷克西林说，“毕竟，我们进入的是一个未知领域。”

1930年，诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·保利（Wolfgang Pauli）首次假设了中微子的存在，用于解释放射性衰变过程中其他亚原子粒子的行为。此后，又经过26年的搜寻，人们才首次探测到中微子。时至今日，其神秘莫测的特性依然令科学家头疼不已。

加拿大萨德伯里中微子天文台提供了一个例子，以说明它们是多么精微难测：若用一个1000吨的重水水箱捕捉中微子，虽然每秒有10万亿颗中微子穿过该水箱，但一天之中，能检测到的大约只有30个。

中微子已知存在三种不同形式：电子中微子，μ子中微子和τ中微子。

很长一段时间内，科学家都认为，三者均没有任何质量。这种幽灵般的粒子将昙花一现演绎到了极致。在诗歌《宇宙之胆》（Cosmic Gall）中，作家约翰·厄普代克（John Updike）就吟咏了这种怪异的情状。

中微子，它们是那么渺小

没有电荷，也毫无质量

而且从不互打交道

地球就是个傻冒

被它们一掠而过 就像掸尘的女仆穿过通风的楼道

然而，20世纪末、21世纪初，科学家发现有证据表明，诗中关于中微子的说法并不完全正确，它们还是有一定质量的。

日本的梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大的阿瑟·麦克唐纳（Arthur McDonald）分别通过实验，证明了上述结论。这些实验表明，中微子在穿越太空时会转换形式。比如，来自太阳的电子中微子在冲向地球的过程中，有一些会转变成μ子中微子和τ子中微子。这个过程被称为中微子振荡。

“这一发现至关重要。”德雷克西林表示，“宇宙学理论中有一个简单的约束关系，即只有具有质量的物体才能在不同形式间振荡。无质量粒子不能发生此类变化。因此，这就产生了一个明确的推论：中微子必然存在质量。”

德雷克西林回忆起揭晓上述实验结果的那场物理学会议。

“那就像一场摇滚音乐会。人们欢呼、手舞足蹈——这是不无理由的。我们意识到，我们看待宇宙的方式将从此改变。”因为揭示了中微子的巨大秘密，梶田隆章和麦克唐纳获得了2015年诺贝尔物理学奖。

深入Katrin内部

我们无法直接测量中微子的质量，但可以通过研究与之同时释放的电子的能量分布，来推导中微子的质量。

在Katrin的真空室内，电子在一个强大磁场的引导下，几乎朝同一个方向流动。原理如下：

猎寻中微子的具体方式

氚原子核衰变为氦-3原子核，并释放出一个中微子和一个电子。

1、尾端：负责设备的监测与校准

2、氚源：氚被置于一个名为“无窗式氚气源”的装置中

3、导引：管道周围的超导磁体激发出磁场，其强度是地球磁场的7万倍

4、光谱仪前端：进一步限制了可能被真空室残留的气体分子散射的电子数量

5、光谱仪内部：电子在巨大的真空室内接受分流。只有能量最高的电子才能穿越内部设置的电场，抵达探测器。这部分电子约占总数的1000亿分之一

6、探测器：物理学家对抵达探测器的电子进行计数，精确测出它们在高能端的光谱，从中推导出中微子的质量。

如果中微子存在质量，这个质量究竟是多少呢？

这不是一个无关紧要的问题，正如剑桥大学卡文迪许实验室的马克·汤姆森（Mark Thompson）所言，准确的测量结果影响重大。

“中微子有质量，但非常轻，是其他任何已知亚原子粒子的十亿分之一。但另一方面，中微子数量如此之众，其总体质量可能非同小可，因此它们在宇宙中也能产生重要影响。我们迫切地想了解中微子的质量，以便弄清它们会如何影响宇宙的未来。”

例如，如果我们发现，中微子的质量比当前的估计值更大一些，那么，它们的总体引力就会影响宇宙扩张，减慢它的速度。如果其质量低于当前预估，那么，尽管它们在宇宙中无处不在，也不会对宇宙膨胀速度构成太大的影响。

对宇宙膨胀的影响并非科学家关注中微子质量的唯一原因。

“最耐人寻味的地方在于，它们的质量比其他任何粒子的质量都要小得多，是那些粒子的十亿分之一。这说明，它们的质量肯定源于其他机制。”汤姆森补充说，“其他所有粒子都是通过附着到希格斯玻色子来获得质量，但中微子采用的必是一条不同的途径。所以，似乎还有其他的基本力涉及其中，这是一个等待挖掘的宝藏。”

正是由于这些原因，几十年来，科学家一直想尽各种办法，希望测得中微子的确切质量。

经过二战后的第一次尝试，科学界将中微子的质量上限设定在500电子伏特（ev）左右，相当于电子质量的1/500，而电子本身已经相当之小。（用能量单位描述物体质量也许有些奇怪，但所有亚原子粒子的质量都是以电子伏特衡量的。电子伏特也可以用作质量单位，因为根据爱因斯坦的方程式E=mc的平方，能量与质量是可以相互转化的。）

在Katrin内部，超导磁体产生的磁场强度是地球磁场的七万倍

后来，进一步的测量将中微子的质量上限大幅压低，现在仅为2 电子伏特上下，约为质量最轻的原子的20亿分之一。得出准确值的任务将落到Katrin的肩上。

这个项目将用到少量的氚。它是氢的一种同位素，原子核中带有两个中子和一个质子。（一般的氢原子核中没有中子。）氚是核反应堆的产物，价格非常昂贵。“一克氚的成本约为1万欧元，所以一定得格外小心，尤其是还要考虑到它的高放射性。”德雷克西林说。

而对Katrin至关重要的，正是氚的放射性特征。氚会衰变成氦的一种同位素，即氦-3，其间会释放出一个电子和一个中微子。只要精确测量出氚源释放的电子的能量（从而也知道了质量），就有可能推导出随其释放的中微子的能量（以及质量）。

超导磁体将产生比地球磁场强大7万倍的磁场，并将电子流导入Katrin巨大的真空室，使它们飞向强大的电场。只有能量最高的电子才能穿越这个电场，并被计数。这些电子吸收了氚原子核衰变产生的几乎全部能量，这种情况下，相应的中微子将不带任何能量。每5万亿个由氚原子核衰变产生的电子中，大概会有一个电子符合上述特征。

“这些电子将携带氚原子核衰变产生的所有动能。”德雷克西林说，“相应的中微子将不带任何动能。这样一来，我们就能计算出中微子的质量。再通过极为精确的测算，或许就能得出中微子的确切质量。

“至少要用五年时间，我们才有希望得出一个实实在在的数字，但这只是我们的愿望，即便那时，也有可能毫无所获。至于到时候该怎么办，我们已经有了很多想法。最终，我们肯定会测出中微子的质量。这将是一段奇妙的旅程。”

200吨重的巨型光谱仪在运送过程中，穿过德国小镇莱奥波尔茨哈芬

现代版奥德赛：Katrin的漫漫回家路

Katrin的主要部件是长23米、宽10米的真空室。将其运到卡尔斯鲁厄的旅程，堪称现代工程学中最奇特的史诗级旅程之一。

该真空室在慕尼黑东北150公里处的代根多夫建成。它重达200吨，恍若齐柏林飞艇。但由于太过庞大，无法进行空运，也不能经由公路往西直接运抵400公里外的卡尔斯鲁厄。因此，工程师们不得不选择水路。他们先是沿多瑙河东行，驶入黑海，继而经过地中海，越过比斯开湾和英吉利海峡，抵达荷兰鹿特丹。最后顺莱茵河而下，终于来到卡尔斯鲁厄附近。全程8,800公里，耗时两个月。

“这被称为欧洲最大弯路，原因是显而易见的。”德雷克西林说。

这趟旅程也并非一帆风顺。2006年9月，装载真空室的船起航后不久，在行经德国约翰施泰因时，因所载货物太轻，导致船身露出水面部分过高，无法从一座横跨多瑙河的桥下通过。“我们不得已买了1000吨石材，把船压下去，才能从桥下通过。”德雷克西林回忆说。

10月27日，真空室抵达黑海。几天后，在穿越马尔马拉海、前往地中海的途中，船只遭遇风暴。“甲板上覆盖真空室的防护罩被吹走了，不锈钢外壳暴露在外，增加了被海水腐蚀的风险。”德雷克西林说，“但我们决定继续前行。”

最终，真空室抵达鹿特丹，驶入莱茵河，此时，又恰逢莱茵河水位处于几十年来的最低水平。“我们几乎是擦着河床前进的，跟河床只差了几厘米。”德雷克西林说。

在卡尔斯鲁厄郊外的莱奥波尔茨哈芬，他们使用世界上最强大的起重机之一，将真空室吊上陆地，置于一辆巨型拖车上。

“之前有人问我，会有多少人来看真空室就位。”德雷克西林说，“我说大概300人吧。结果，那天来了三万人。镇上所有食品在一小时内卖光，我们只好运来一万根香肠，免得大家挨饿。”

这段旅途的最后一程也是惊心动魄。

“在有些地方，真空室和镇上建筑之间只差3厘米就碰到了。”德雷克西林说。这个庞然大物在镇上左刮右蹭地前行，景象壮观而又诡异，让人感觉放佛置身于好莱坞的某部外星人入侵电影中。

终于，真空室抵达了它在卡尔斯鲁厄理工学院的“家”。“到的时候，它已经很脏了。”德雷克西林说，“所以，我们做的第一件事就是清洗它。毕竟，我们是德国人。”

翻译：雁行

来源：The Guardian

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