下海入地捉“幽灵”

中微子是一种神秘的宇宙粒子，具有穿墙遁地的奇特本领，要发现并捕获它们异常困难，因为它们形同幽灵，来无影去无踪；物理学家估计，中微子能够自由穿透厚度比地球到太阳的距离还高出几十亿倍的铁板
【俄罗斯《劳动报》11月23日文章】题：地下搜寻中微子———科学家捕捉能够轻易穿透地球的“幽灵”（作者　维塔利·戈洛瓦乔夫）
今年10月，88岁的美国科学家雷蒙德·戴维斯与76岁的日本科学家小柴昌俊因为在中微子研究领域的突出贡献，获得了诺贝尔物理奖。
中微子是一种神秘的宇宙粒子。它具有穿墙遁地的奇特本领，能够自由地穿过墙壁、山脉、甚至地球与其它行星。物理学家估计，中微子能够自由穿透厚度比地球到太阳的距离还高出几十亿倍的铁板。
中微子在宇宙中大量存在，每秒钟穿过人体的中微子多达几万亿个。然而，要发现并捕获它们却异常困难，因为它们形同幽灵，来无影去无踪。
长期以来，科学家一直致力于捕捉中微子。中微子的探寻史如同原子物理中的诸多发现一样，本身就是一段引人入胜的故事。故事的开头是在1931年，欧洲物理学家沃尔夫冈·泡利，通过大量的理论推理与计算，在自己的书桌前作出了天才的预言：在我们的物质世界中存在中微子。他的预言25年后得到了实验的证实。
1946年，意大利天才物理学家布鲁诺·蓬泰科尔沃想出了捕捉这种神秘莫测的“幽灵”的方法。他曾在美国、加拿大、英国工作过，还在二战时期与苏联情报人员有过密切的合作。1950年，他从英国的哈韦尔途经芬兰转移到苏联，继续自己的核物理研究。蓬泰科尔沃提出了根据粒子轨迹发现中微子的著名方法，其原理是：当中微子进入氯原子的原子核后，就会变成可探测到的放射性氩粒子。蓬泰科尔沃的方法多年之后才在技术上得以运用。
目前，世界上存在着近十种不同的中微子探测器。具体说来，这些探测器就是一些极为复杂的工程设施。美国的科学实验室坐落在北达科他州的一个废弃金矿井中。正是在那里，科学家第一次成功地探测到由太阳发射出的中微子。当时雷蒙德·戴维斯刚刚五十出头。1977年，我国的第一座中微子观测站开始运行。而在地球另一边的日本，一台巨型探测器在1987年捕捉到了19个由超新星爆发时释放的中微子。领导这些研究的正是小柴昌俊。
在加拿大的安大略省，一座中微子观测站刚刚投入使用，其规模之大令人称奇。整个工程耗时8年。100名专家负责这座相当于10层楼高的地下建筑的运营。科学设备被放置在地下2公里深处。
意大利则在格朗萨索隧道里安放了自己的地下探测器。
为什么这些观测站都必须建在厚厚的土石与岩层之下呢？原因很简单，土地能够阻挡除了中微子之外的所有粒子。因此，只有中微子可能“到访”探测器。在数以万亿计的粒子中，能够被探测到的只是个别粒子。而冰与水可以用作中微子的天然拦截器。在南极洲，研究人员在永冻冰层上垂直钻孔，将探测器放入其中，然后将水倒入孔中，小孔很快就会结冰冻上。同样的设备也被放入贝加尔湖深处。科学家还计划将另一个探测器放入希腊附近的地中海中。
与世界上许多国家一样，俄罗斯也在积极开展中微子研究。位于厄尔布鲁士附近的安德尔奇山地下深处的高加索巴克桑中微子观测站则对这一研究起了重要作用。这里的几位科研人员本来可以与戴维斯和小柴昌俊一同分享今年的诺贝尔物理奖。
俄罗斯科学院院士、核研究所中微子天体物理室主任格奥尔吉·季莫费耶维奇·扎采平向记者讲述了观测站建成的经过。
扎采平：我们从60年代初开始选择地下观测站地址。合适地点应该位于非地震区，拥有充足的电力资源与道路设施。此外，岩层不能有太强的放射性。最后一个条件使得煤矿矿井从各候选地址中脱颖而出，而且矿井中也有大量的尘土。最后，地点选在了北高加索山麓。我们决定沿水平方向挖出一条隧道，直通卡巴尔达—巴尔卡尔共和国安德尔奇山脉的地下深处。
工程于1967年开工。施工时使用了特殊的材料。众所周知，普通的砾石、花岗岩、大理石本身都有微弱的放射性。虽然这对人体无害，然而捕捉中微子的设备却不能受到其它粒子的丝毫影响。因此我们从乌拉尔运来最为古老、放射性极低的岩块，用来制作混凝土。
十年后，也就是1977年，观测站的第一个地下实验室开始工作。它距离山脚500米。大厅十分宽敞，面积相当于两个室内网球场。一台装有3200个探测器的地下望远镜占据了整个大厅。接下来，在距入口3·5公里的隧道最深处（此处的山高为1270米）摆放着镓锗中微子望远镜。它的工作原理是：当中微子与液态金属镓原子发生作用时，就会形成放射性锗。我们就能把它记录下来。望远镜的安装工作于1987年完成。这是在世界上第一次探测到太阳内部深处发生的完整粒子流。可以说，这是世界科学史上的重大事件。需要强调的是，这次实验是与美国科学家共同完成的。
记者问：科学家在巴克桑观测站捕捉到的中微子多吗？
答：非常少。试想一下，盛有50吨液态镓的巨桶。整整一个月只能记录到几十个锗原子。请注意，不是几克或几毫克，而是几个原子。我想打一个大家都明白的比方：要找到这些原子——这就像在撒哈拉沙漠里找到某一粒特定的沙子。要找到锗原子，需要在50吨液镓中排查无数原子。实际上，在大山内部深处有一家化工厂，工厂里进行着特殊的分析，一天24小时不停地筛查着50吨液态金属。我们没有太多的时间，因为单个的放射性锗原子会迅速衰变。
问：各界对中微子的研究开展得十分广泛，但这能给人们带来什么？
答：我想，未来几年就会有惊人的发现。今天，这些研究能让我们更好地了解太阳是怎样工作的。自由穿行于宇宙空间、星系、行星的中微子流，能够传递关于超新星与宇宙深处情况的独特信息。将来的发现可能会帮助我们揭开世界形成的奥秘。
问：您说过，中微子研究能让我们更好地了解太阳是怎样工作的。预测有没有改变？太阳将何时毁灭？
答：目前的预测广为人知：太阳还将存在50亿年……
在谈话结束时，扎采平院士告诉我们，他打算不久再次前往巴克桑中微子观测站。安德尔奇山内部深处能明显地感觉到地热：如果没有通风设备，空气能升到40度。观测站就像一个神奇的中继站——宇宙深处与地球地核之间的中继站。这里，人们对宇宙中的神秘幽灵的追踪还将继续下去。