互动科普

这座世界上最大的地下实验室是意大利科学界的骄傲。但是，在其开工建造30周年之际，它却不知将何去何从。  

撰文 尼古拉·诺森戈（Nicola Nosengo） 翻译 王栋

从亚德里亚海岸中部出发，驾车沿意大利A24号高速公路去往罗马，一开始就要蜿蜒攀上积雪的亚平宁山脉，紧接着会钻入当地最高峰——格兰萨索峰下一条10千米长的隧道。大约隧道正中处，有一条右转的岔道，岔道很短，很快你就能遇到一道沉重的大铁门。但只要按一下上面的一个通话按钮，对着麦克风说出“粒子物理学家”几个字，铁门就会自动打开，像007电影里面的场景一样。

穿过铁门，不远处是一片停车场。从那里下车改为步行，从这时起，你就能开始慢慢感觉到，这个隐藏在山峰下的设施规模有多大。在一道长长走廊的尽头，是三座巨型大厅，每一座都有约20米宽，10米高，100米长。这个巨大的设施就是意大利国家核物理研究所（Italian National Institute of Nuclear Physics，INFN）格兰萨索国家实验室的所在。

实际上，该实验室180 000立方米的空间还不是最具价值之处。在1 400米厚的岩石的保护下，这里很安静——不是说没有声音，而是指没有宇宙射线（来自宇宙的、持续轰击地球表面的粒子“雨”）的噪音。没有宇宙射线干扰的环境吸引了整整一代物理学家来到这些地下大厅工作，在这里，他们可以研究宇宙中一些最罕见、最特别的现象。

对大多数公众而言，“格兰萨索”这个名字可能直到去年9月才第一次进入他们的耳朵。当时，在那里进行的OPERA（Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus，采用乳胶径迹装置的振荡项目）实验宣布：中微子的飞行速度似乎超过了光速。该结果一时间造成了极大的轰动，而最后被证明是错误的。其实，这个从30年前起开始建造的实验室已经为物理学家所知很久了。格兰萨索是“第一座真正的地下实验室，是唯一一座专门为科学研究而建造的，” 美国斯坦福大学的物理学家斯坦利·沃基茨奇（Stanley Wojciki）说。直到今天，它仍比其他所有地下实验室大得多，来自32个国家的960名研究人员在此进行着18项实验。

“格兰萨索的实验大厅能够容许基于不同技术的实验在一起开展，以比较孰优孰劣，促进对实验的不断改进，”美国劳伦斯·伯克利国家实验室的中微子物理学家凯文·莱斯科（Kevin Lesko）说。虽然这样造成了很多“地下竞争和争端”，但它们也反过来成就了格兰萨索，使之成为意大利科学界津津乐道的典范。格兰萨索是一系列中微子和太阳物理研究的显著成果的诞生地，用INFN负责人费尔南多·费罗尼（Fernando Ferroni）的话说：“它是我们在国际物理学界的招牌。”

然而，进入而立之年后，格兰萨索开始悄悄地发生变化。它的研究重点正在转移，同欧洲核子中心（CERN）的长期合作也接近了尾声。预算削减更让格兰萨索的运作日益举步维艰。除此之外，国际竞争也越来越激烈，例如已经有提议将新的探测器安装在其他设施中，例如加拿大萨德伯里附近的SNOLAB（Sudbury Neutrino Observatory Lab，萨德伯里中微子观测实验室）、日本的神冈实验室、美国明尼苏达州苏丹实验室，以及计划建造的位于美国南达科他州霍姆斯特克金矿的“深层地下科学和工程实验室”。并且，虽然格兰萨索的许多实验都取得了重要结果，但它仍缺少一个重大发现：一个能够与其规模和最初建造时的雄心壮志相称的突破性发现。

失踪的中微子

建设格兰萨索实验室的构想于上世纪70年代首次提出。提出这个构想，随后管理格兰萨索的INFN负责人安东尼奥·兹奇奇（Antonio Zichichi）承认，他希望给意大利带来一个研究项目，增加意大利在国际物理学界的分量，能在欧洲物理学界同CERN分庭抗礼。

建设格兰萨索实验室，还有两个来自科学方面的动力。第一个是“失踪的”中微子之谜。自上世纪60年代起，美国物理学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）在霍姆斯特克进行了一项实验，探测太阳中心核聚变产生的中微子，但他发现的中微子数量大约只有理论预言的1/3。其他物理学家提出了一种解释：如果中微子在宇宙中飞行的过程中同时也在“振荡”（即在其三种状态间自发地来回转换）的话，等抵达地球时，它们已经充分混合，所以只有约三分之一还保持能被戴维斯的探测器捕捉到的状态。但是，由于中微子同其他粒子的相互作用极其微弱，想要证实这一设想，就需要将探测器藏在数百米厚的岩石下，不受宇宙射线干扰的环境中。

另一个问题是质子的衰变。许多试图构建“大统一理论”的研究都认为，质子也不是绝对稳定的，它终会衰变成更轻的亚原子粒子，虽然其半衰期比宇宙的年龄还要长好几倍。想要观察到如此罕见的事件，唯一的希望就是在极长的时间里监测巨量的物质，同时还要避免可能掩盖住信号的背景辐射。

所有这些研究都需要一个藏在山肚子里的巨型空洞。兹奇奇在距罗马120千米的格兰萨索找到了它。那里，一条穿过山峰下的高速公路隧道已经建设了一部分，却由于资金和其他原因被废弃了。“山峰的形状很理想，”他回忆道，“格兰萨索峰较平，所以岩石保护层的厚度在其延伸方向上基本上是一致的。”INFN的物理学家在隧道里测量了宇宙射线的强度，测量结果只有地面上的百万分之一。辐射测量同样令人振奋——仅为地面上的千分之一。格兰萨索的白云石里铀、钍含量很低，而这两种放射性元素是天然放射性的主要来源。

一座具有理想物理特性的山峰，里面已经有了一条隧道，同时还没多少车流——“这简直太完美了，令人难以置信！”兹奇奇说。他说，如果要从头开始建造实验室，花费将会太大。利用这些已经存在的基础设施，格兰萨索实验室的建造预算最终为770亿意大利里拉，约合现在的1.6亿美元。

1979年，兹奇奇将这一项目上报给了意大利议会，1982年2月得到批准，同时还决定完成先前停工的高速公路建设。施工于同年9月开始，1987年大厅完工，静待首批实验的进驻。

而建立一个科学“团体”所需的时间更长。“在很长一段时间里，格兰萨索实验室的主要角色是地下物理学研究训练营，”费罗尼说。与大多数物理学家都熟知的粒子加速器研究不同，在格兰萨索，不再是让粒子互相撞击然后观察现象，而是钻入地下，整日与枯燥的工作为伴：选择并测试用作防护壳和探测器的材料，排除每一种潜在的背景噪音源，还要一连数月的分析数据，而最终得到的“信号”十有八九还只是不知如何突破了层层防护的背景噪音。

首批实验项目显示了地下探测器的能力与不足。中微子物理研究取得的成果最多：格兰萨索的早期实验中，最引人注目的一项是于1991年到1997年间运行的Gallex实验，它证明了戴维斯发现的“失踪”太阳中微子确实失踪了。但是，测量质子衰变的努力很快就被放弃了。“早期的理论都太幼稚了，”费罗尼评论道，“要想探测到一个质子衰变，就需要一百万吨水，或者一万吨液态氩。我们的技术、实验设备和经费都不足。”同样未能进行下去的还有意大利和美国合作的，寻找磁单极的MACRO（Monopole, Astrophysics and Cosmic Ray Observatory，磁单极、天体物理及宇宙射线观测）实验，它曾是格兰萨索的首个主要实验项目。研究人员从1989年找到了2000年，一直没能发现磁单极的半点踪迹。

好戏上演

到了21世纪，新出现的科学研究重点，完全形成的科学研究团体，以及更大、更具雄心的实验（参见“格兰萨索实验室”），标志着格兰萨索进入了一个新时期。从停车场出发，首先将遇到的是C大厅和Borexino实验，这是Gallex的后续实验，能在完整能量范围内研究太阳辐射出的中微子。Borexino实验的装置是一个直径18米的巨型圆顶罩，里面有两个像俄罗斯套娃一样套在一起的同心球。圆顶内充满着高纯度的水，用来降低到达最中心球体的背景辐射；中心球体则用于探测因中微子撞击液态闪烁体所产生的闪光。

Borexino实验组成员、美国普林斯顿大学的物理学家克里斯蒂亚诺·加尔比亚蒂（Cristiano Galbiati）说，实验中无以伦比的低背景噪音条件，是该实验组首个探测到低能“pep”（p：proton—质子，e：electron—电子）中微子的关键（相关结果发表于去年10月）。“pep”中微子是在太阳内部的质子和电子形成氘的过程中产生的，它是解释太阳如何持续燃烧的理论模型所缺少的最后一个证据。理论上曾预言了这一反应，但此前从未被观测到。“来自太阳的低能中微子同高能中微子的振荡模式完全不同，”加尔比亚蒂介绍说，“要一劳永逸地解决太阳中微子之谜，唯一方法是在整个能量范围内测量中微子，同时这也是唯一一个将背景噪音降到了足够低的实验。”

Borexino实验旁边就是当前很热门的OPERA实验装置：这是一部由150 000块像砖块一样、中间间隔了铅块的感光片所构成的探测器，有三层楼那么高。从2008年开始，OPERA一直在探测CERN从730千米外发射出的振荡中微子束。从CERN射出时，这一束中微子完全由μ中微子构成，而科学家希望，在格兰萨索接收到它们的时候，能发现τ中微子的踪迹，这将证明它们能在飞行过程中从一种形态（“味”）转化成另一种。OPERA在2010年报告了第一例τ中微子事件（参考文献4），该研究组希望能在2012年底前再证实一两次该事件。

然而，这一成就并未完全达到支持者们的预期。虽然该实验的设想于上世纪90年代就提出了，但同CERN冗长的合作谈判就耽误了十年中最好的时机，当时CERN的管理层对于从传统研究项目里抽调人员、资金十分谨慎。到OPERA最终开始收集数据时，中微子振荡早已被日本和美国的其他类似中微子束实验所证实了。唯一的安慰是，至少到目前为止，那些实验只能记录到μ中微子从束里消失，而只有OPERA发现了由它们转化成的τ中微子。

但是， OPERA研究组于去年9月发布的一项声明，足以让以前的那些结果相形见绌——中微子的飞行速度似乎超过了光速。这在媒体上引发的轰动加剧了研究组内部本来就存在的分歧，一些组员拒绝在声明的预印版上签字。他们认为，根本不应该发布这个几乎可以断定是实验误差所导致的结果。此外，从一开始，反对的声音就从它的邻居，同时也是主要竞争对手——B大厅里的ICARUS（Imaging Cosmic And Rare Underground Signals，宇宙及罕见地下信号成像）实验组里传出。ICARUS实验使用一对每一个20米长，装有300吨液态氩的长方体箱，也在寻找τ中微子。“OPERA发现的τ中微子的置信度并不是很高，”ICARUS的副发言人桑德罗·森特罗（Sandro Centro）说，“我们将在年内发表我们的首批结果，我们觉得我们能做得更好。”去年10月，ICARUS研究组用自己测定的中微子飞行速度，直接否定了OPERA的发现，他们发现这种粒子的速度低于光速。

最终，反对的声音是正确的：今年2月，人们发现了罪魁祸首——一条松动的数据传输线。该事件导致了OPERA发言人安东尼奥·埃雷迪塔托（Antonio Ereditato）和物理协调员达里奥·奥提埃罗（Dario Autiero）双双辞职。前任格兰萨索实验室主任，目前在OPERA进行研究的马里奥·莫纳塞利（Mario Monacelli）是当时拒绝在那篇关于中微子速度的文章上签字的科学家之一，他说，当时的那种狂热状态并没有影响到实验的日常运作，造成影响。“但确实使项目组的内部关系紧张，需要一段时间才能消除，我们现在正努力防止这个合作项目分裂成对立的几派。”

在A大厅及其周围，还存在另一种紧张关系。A大厅多是寻找暗物质的实验设备。对天文学家们来说，暗物质的存在是毫无疑问的，他们能通过望远镜看到暗物质对星系和星系群造成的引力影响。但是，自然是如此的神秘：这种物质又是极度透明的，而且能随意穿过恒星和行星，似乎根本不存在一般。一种流行的理论认为，暗物质是一种“薄雾”，由宇宙大爆炸过程中产生的弱相互作用重子（weakly interacting massive particles，WIMPs）构成，从那时起就布满了整个宇宙。证明该理论的关键是在实验室里用探测器捕捉并研究WIMPs，这一任务同样要求极低的背景辐射。

格兰萨索的暗物质实验（DAMA）从1996年起开始运行，迄今已进行了多次升级。这个实验的目的是，寻找暗物质粒子同碘化钠晶体中的原子碰撞时产生的闪光。DAMA实验基于一个假设：地球在绕太阳公转的过程中，穿过暗物质粒子的速度会有变化，这会造成一年中通过探测器的暗物质流量有变化。13年来，该研究组不断宣布发现了体现这种变化的信号，虽然根据这些信号，暗物质粒子的质量比大多数理论物理学家预计的要小。

A大厅中，紧张关系的来源就在DAMA实验组旁边——那是XENON 100实验。这是一项美国主导的实验项目，从2009年起，总计使用了100多千克液态氙来探测WIMPs。2010年，该项目组发表了首篇论文，记录了最初11天的实验数据。他们在文章中称，没有在DAMA实验的质量范围内找到WIMPs，于是两个项目组开始了一场争论，至今还未平息。DAMA项目组的利塔·伯纳贝（Rita Bernabei）坚称，XENON的结果是基于暗物质模型中的一种。“很多候选粒子、理论和不确定性都能解释到目前为止（DAMA或XENON）获得的结果”。但是，XENON的科学家弗朗西斯科·阿尼奥多（Francesco Arneodo）却不同意：“你当然能随意套用不同的模型，但很可惜，他们从没尝试过，在其他地方重复类似实验，如果他们做了，这个争论就可以结束了。”

在费罗尼看来，关于DAMA的争论只有两条出路，“他们要么最后宣布这些信号是由某种先前未知的背景噪音造成，要么就可以直接去斯德哥尔摩领诺贝尔奖了。”

前程

离开地下大厅，沿着高速公路隧道驶抵西端出口，走不远就能到达山脚下。这里，在格兰萨索实验室的地上办公室里，卢西娅·沃塔诺（Lucia Votano）主任正规划着格兰萨索的未来。

资金仍是个问题，她说。每年，格兰萨索自身的运行维护就要花费INFN差不多1 000万欧元（合1 280万美元），这还不包括实验费用。过去十年里，机构预算已经缩减了三分之一。由于意大利的紧缩政策，2013年预计还要再削减5%，。

但是她说，即便没有削减预算，山底下也会发生很多变化。到2012年底，由于要升级实验室的“旗舰”设备——大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC），CERN将关闭加速器，停止发射中微子束。OPERA和ICARUS几乎铁定要下马。虽然ICARUS的探测器将被移到CERN，用作研发比它大得多的探测器的实验台，但“现在，真的看不清欧洲中微子物理研究的未来会怎样，”森特罗说。

同时，格兰萨索剩下的研究将专注于暗物质，以及另一个长期存在的，对理解粒子物理标准模型未能预言的现象很关键的疑问：无中微子双β衰变。这是理论猜测的一种放射性，极为罕见，只有在中微子是其自身的反粒子时才会发生。2001年，在格兰萨索现已经撤销了的一项实验里，汉斯·克拉普多－克莱因罗陶斯（Hans Klapdor-Kleingrothaus）和同事报告说，他们探测到了这一现象。但到目前为止，还没有其他实验能够重复这项发现，而且克拉普多－克莱因罗陶斯使用的统计方法也遭到了一些科学家的质疑。虽然将自己归为怀疑者之一的费罗尼也承认，“即便这些结果是错误的，它们同OPERA的那个结果相比也是小巫见大巫”。

沃塔诺和费罗尼希望，格兰萨索的GERDA（Germanium Detector Array，锗探测器阵列）实验能在一两年内对该结果给出定论，无论肯定还是否定。GERDA实验使用一台极低背景噪音的探测器寻找无中微子双β衰变。大约2014年，CUORE（Cryogenic Underground Observatory for Rare Events，低温地下稀有物理现象观测）实验也会加入，它的探测器是一座1吨重的二氧化碲塔。最终，这两个实验或许能为将来更大的探测器打好基础，以进一步提高发现这种罕见放射性的几率。

关于暗物质的研究，XENON项目组目前正在建造一部1吨重的探测器，预计将于2014年底开始收集数据。这部探测器将是世界上WIMPs研究中最灵敏的探测器。另一个正在准备中的实验，DarkSide，将使用50千克的液态氩作为探测器，并使用Borexino实验中比较成功的背景噪音消除系统。同时，DAMA将进一步升级。德国的CRESST（Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers，基于超导低温温度计的稀有事件搜寻）实验也已在接近绝对零度环境下，探测暗物质与晶体的碰撞。

由于以上种种，XENON实验发言人，美国哥伦比亚大学的物理学家埃琳娜·阿普里勒（Elena Aprile）说，“WIMP的首次发现地将会是格兰萨索。至少，这里也将是我们发现自己走错了路的地方”。

然而，他们也有竞争对手。在霍姆斯特克、萨德伯里和神冈，类似的暗物质和双β衰变实验已经开始进行或正在准备。两年前，2 500米深的中国锦屏地下实验室完工，标志着中国也加入了寻找暗物质的竞赛。这些实验中，许多科学家都能利用更好的天然防护——物理学家们使用等效水深来量度。格兰萨索的防护层相当于3 300米深的水，与之相比，霍姆斯特克的相当于4 100米深，萨德伯里的相当于近6 000米。

另一方面，沃塔诺说，在格兰萨索还研发了一些新技术，例如Borexino实验率先使用的“俄罗斯套娃”系统，就能提供更大的等效深度。它仍然是世界上规模最大、装备最好的地下实验室。而且，阿普里勒指着环绕在地上实验室四周的那些积雪的山峰说，这里环境无以伦比。“如果我能在像这样的环境里做一个好物理学家，那我就别无所求了。”

本文作者 尼古拉·诺森戈是意大利的自由科学作家。