宇宙學(xué)家認為，每時(shí)每刻都有千百億個(gè)中微子快速穿過(guò)人體而不會(huì )讓我們感到任何不適。據稱(chēng)，這些體量巨大的亞原子粒子直接源于宇宙大爆炸時(shí)代，而不是來(lái)自太陽(yáng)或者其他物體。對這一說(shuō)法的實(shí)驗驗證將會(huì )為人們了解早期宇宙和中微子物理學(xué)提供開(kāi)創(chuàng )性的見(jiàn)解。但是，人們將如何研究這個(gè)令人捉摸不透的物質(zhì)？它神出鬼沒(méi)，視1光年厚的“銅墻鐵壁”為無(wú)物，來(lái)去自如地穿梭其間。
在美國能源部管控的普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗室，由物理學(xué)家克里斯·特里領(lǐng)導的研究小組利用中微子可以被氚元素捕獲這一奇怪的物理事實(shí)來(lái)捕捉這些幾乎沒(méi)有任何質(zhì)量的大爆炸殘余物。氚是氫的放射性同位素，大爆炸中微子可以為氚在衰變過(guò)程中釋放出的電子（或β粒子）提供微量能量。
特里創(chuàng )立了一個(gè)原實(shí)驗室，通過(guò)測量其對電子施加的額外能量來(lái)探測大爆炸產(chǎn)生的中微子。這個(gè)實(shí)驗的精確度是空前的。定位這些中微子就像“在人滿(mǎn)為患的體育場(chǎng)里探測微弱的心跳一樣（艱難）”，該項目的總工程師查爾斯·金泰爾在談起這個(gè)實(shí)驗時(shí)這樣說(shuō)。
該項目被特里稱(chēng)為“托勒密”工程，其全稱(chēng)為“普林斯頓氚觀(guān)測臺——探索光和宇宙早期產(chǎn)生的大量中微子”。托勒密是古希臘的天文學(xué)家，生活在公元1世紀時(shí)的古埃及。
最黑暗、最寒冷的實(shí)驗條件
特里的團隊創(chuàng )造了迄今最暗、最冷的實(shí)驗條件，實(shí)驗任務(wù)需要使測量一個(gè)電子能量的精度達到能夠探測到中微子質(zhì)量的程度。就在不久以前，中微子還一度被認為完全沒(méi)有質(zhì)量。這個(gè)實(shí)驗的物理學(xué)基礎是量子電子學(xué)（這個(gè)物理學(xué)的分支專(zhuān)門(mén)探討物質(zhì)中電子行為的量子物理學(xué)效應），目標是探測大爆炸中微子產(chǎn)生的微小的額外能量。
為什么大爆炸中微子提供的額外能量格外少？這些大爆炸殘余物的獨特之處在于，它們的波長(cháng)被不斷膨脹的宇宙拉長(cháng)，溫度逐漸冷卻。我們生活于其中的宇宙時(shí)空經(jīng)歷了幾乎137億年的膨脹過(guò)程，正是這種膨脹讓大爆炸中產(chǎn)生的數量龐大的中微子冷卻下來(lái)，溫度值只有最初的數十億分之一。因此，比起那些源于太陽(yáng)的中微子，它們通常具有較少的能量。當這些冷卻的中微子被氚捕獲時(shí)，將創(chuàng )造出一個(gè)狹窄的能量峰值，該峰值僅高于從氚的衰變中釋放出的電子的最大能量值。
困難并未就此結束，確認大爆炸殘余物的工作仍然任重道遠。中微子可以表現出多種形態(tài)，因此得出的峰值就有可能稍高或者稍低一點(diǎn)。跟大多數普通物質(zhì)粒子都有一個(gè)相應的反物質(zhì)粒子一樣，中微子也可以有反中微子。不過(guò)，中微子也可能更另類(lèi)一些，比如它本身有可能就是自己的反物質(zhì)粒子。這兩者（具有對應的反物質(zhì)粒子或者本身就是反物質(zhì)粒子）之一決定了測量峰值的高低。如果中微子在幾十億年的衰變過(guò)程中變成了某種更輕的未知粒子，那么，額外的能量峰值可能根本不會(huì )出現。
最尖端的科技
特里說(shuō)，進(jìn)行“托勒密”實(shí)驗的精密設備完全有能力達到檢測大爆炸中微子所需要的精確度。這項尖端科技將被用于普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗室的另外一項重大實(shí)驗，即驗證長(cháng)期以來(lái)人們對大爆炸中微子在宇宙中的密度的種種假設。
通過(guò)實(shí)驗對假設進(jìn)行證實(shí)可以同時(shí)驗證宇宙起源標準模型理論，反之，對理論假說(shuō)的證偽將推翻標準模型理論，并因此催生出關(guān)于宇宙大爆炸及其后續演變的新觀(guān)點(diǎn)、新理論。同時(shí)，找到中微子也能揭示有關(guān)暗物質(zhì)的來(lái)源問(wèn)題——它們也許是這種看不見(jiàn)的物質(zhì)的來(lái)源。
這一發(fā)現的意義將是曠古的?！啊欣彰軐?shí)驗’是否真的會(huì )對人們認識宇宙做出長(cháng)遠的貢獻？”特里在項目演說(shuō)中如是問(wèn)道。他給出的答案是：“實(shí)驗的長(cháng)遠貢獻將是毋庸置疑的。我們認為人類(lèi)生活在一片擁有140億歲高齡的中微子的海洋里。事實(shí)果真如此嗎？”
普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗室的原型機或許藏有神秘之鑰，能夠解開(kāi)所有謎團。該實(shí)驗設備由一對超導磁體組成，這對磁體連接在一個(gè)直徑152.4厘米的圓柱形真空室的兩端。真空室的一端安置了一個(gè)含有微量氚元素的容器，另一端則安置了一個(gè)由阿貢國家實(shí)驗室提供的量熱計，用來(lái)測量電子的能量。在實(shí)驗過(guò)程中，在氚的衰變過(guò)程中釋放出的電子會(huì )被導向磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)，然后讓這些電子通過(guò)真空室的濾波器。經(jīng)過(guò)濾波器的“篩選”，可以分離出不同能量級的電子，最終留下能量級最高的電子，然后用量熱計對其進(jìn)行測量。
阻止噪音
在這項實(shí)驗過(guò)程中，需要對隨機性熱噪音源保持密切關(guān)注，因為噪音會(huì )擾亂真空室兩端的精密儀器的正常運行。研究人員會(huì )在納米材料的石墨烯中儲存氚（石墨烯是只有一個(gè)原子直徑厚度的碳層），以確保從氚元素的衰變過(guò)程中釋放出的電子“干干凈凈”地流入真空室中。
真空室另一端的量熱計連接在一個(gè)溫度設定為70mK至100mK的冰箱上，這個(gè)溫度只有宇宙深空溫度的1/20，不到1K（絕對零度就是開(kāi)爾文溫度標，即K定義的零點(diǎn)。0K約等于-273.15℃）的1/10。這種深度凍結的環(huán)境將使量熱計巧妙地停留在兩種狀態(tài)之間：一種是超導狀態(tài)，電子可以在其中流動(dòng)而不受任何阻力影響;一種是非超導狀態(tài)，電子的流動(dòng)會(huì )受到電阻的阻礙。兩種狀態(tài)間這種微妙的平衡，加上極低的噪音環(huán)境，實(shí)現了只有量子電子學(xué)具備的條件，為實(shí)驗裝置提供了精確測量所需要的靈敏度。當一個(gè)電子撞擊到量熱計時(shí)，這種靈敏度極高的儀器可以測量出該電子的能量。特里說(shuō)，在電子能量的測量領(lǐng)域，他們使用的量熱計具備了過(guò)去同類(lèi)儀器從未有過(guò)的精確度。
負責普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗室運行的副主任、“托勒密”項目的主管亞當·科恩認為，這一實(shí)驗“非常完美地匹配了儀器的技術(shù)參數和功能”，包括如何處理氚、操作一個(gè)合成納米材料的實(shí)驗室以及10年以上運行磁體和真空容器的經(jīng)驗、構建膨脹實(shí)驗的空間等。
文化融合
“托勒密”實(shí)驗吸引了越來(lái)越多的學(xué)生、科研人員、訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者以及高水平物理學(xué)家來(lái)到普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗室。這種人員的流動(dòng)將產(chǎn)生一種“雜交”效應，提升實(shí)驗室在核聚變和等離子體物理學(xué)方面的研究水平，推動(dòng)人類(lèi)科學(xué)，特別是空間科學(xué)的發(fā)展。
對特里來(lái)說(shuō)，“托勒密”實(shí)驗將會(huì )成為通往其他研究領(lǐng)域的門(mén)戶(hù)，“推開(kāi)一扇新探索領(lǐng)域的大門(mén)，你將收獲無(wú)盡可能”。
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