绝大多数人很可能是在去年9月第一次听说格兰萨索国家实验室。格兰萨索实验室，这个世界上最大的地下实验室是意大利科学中了不起的成功故事，然而就在其建成后的30年，实验室的未来却存在变数……
格兰萨索国家实验室的大体积探测器（LVD）用于寻求来自超新星爆发的中微子
从亚得里亚海岸中部到罗马，在意大利高速公路A24驾车沿着蜿蜒爬升、白雪覆盖的亚平宁山脉行驶，不久便来到了这一区域最高峰――格兰萨索山下10公里长的隧道。在隧道中行驶大约一半的路程，有个通向右侧的路口，沿着这个路口一直行驶到头就会看到一扇大铁门，按下大铁门上对讲机的按钮并对着麦克风讲“粒子物理学家”6个字，如同《007》影片的一幕一样，大铁门便徐徐开启。
离大门不远是一个停车场。步行进入大门，你就开始意识到深藏于格朗萨索山下这个实验室的规模：一条长廊的尽头是三个大厅，各宽20米、高18米、长100米。这个宽阔的区域就是意大利国家核物理研究院（INFN）所辖的格兰萨索国家实验室。
实际上，该实验室18万立方米的总面积并不是它最有价值的特征。置身于地下1 400米，并不是一片沉寂，而是充满了宇宙射线的噪音――这些来自太空的宇宙射线不断地轰击地球表面。为了消除宇宙对这些粒子的干扰，粒子物理学家们建造了这个地下实验室，在这里，他们能够研究一些宇宙中最罕见、最难以想象的现象。
绝大多数人很可能是在去年9月第一次听说格兰萨索实验室，当时它的一个实验结果错误地声称中微子似乎是超光速的。然而，这个建成于30年前的实验室对物理学家而言决不是陌生的。格兰萨索实验室“是第一个真正的地下实验室，也是唯一一个用于科学研究而建造的实验室”，斯坦福大学的物理学家斯坦利·沃西基（Stanley Wojcicki）说。到目前为止，它仍然是来自32个国家的950位研究人员的18个实验室中的一个最大的地下研究基地。
美国伯克利国家实验室的中微子物理学家凯文·莱斯科（Kevin Lesko）说：“基于不同的技术，格兰萨索实验室与其他实验室携手并肩，并比较彼此的利弊，打造了相同实验室的多重纪录。”其结果是长期的地下竞争。但是，该实验室促进了意大利最强有力科学的成功之路，并在中微子和太阳物理领域取得显着成效。INFN院长费尔南多·费罗尼（Fernando Ferroni）说：“这是我们同国际物理学界交流的平台。”
然而，就在格兰萨索实验室建成后的30年之际，该实验室却处于一个转型期：它的科学中心正在转变，同欧洲核子中心（CERN）的长期合作正接近尾声。预算削减使得CERN很难维持其在格兰萨索实验室的项目继续下去。加之国际竞争日趋激烈，包括一些计划提出了建造新的探测器：加拿大萨德伯里中微子地下实验室（SNOLAB）、日本神岗实验室、美国明尼苏达州苏丹地下实验室和南达科塔的地下工程实验室。虽然格兰萨索实验室发表了许多重要实验结果，但是该实验室仍然在等待它的最大发现：一个能够在竞争中取胜的开创性发现。
中微子丢失之谜
二十世纪七十年代当格兰萨索实验室首次被构想时，动机之一是政治上的。安东尼奥·齐基基（Antonino Zichichi）提出并主管这个项目。他坦承，想以此增加意大利在国际物理学界的威望以及平衡CERN的影响力。
此外，该实验室有两个坚定的科学目标。其一是找到那些“丢失的”中微子。自二十世纪六十年代开始，美国物理学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）在霍姆斯特克探测到太阳中心核反应所产生的中微子。然而他仅仅发现了理论预言中的三分之一中微子。对于没发现的另外三分之二中微子，其他物理学家提出一个解决方案：如果中微子在太空穿行过程中发生“振荡”，其三类中微子的一类转换成了另一类，那么当它们达到地球时很可能已经混合在了一起。如此，戴维斯的探测器只能探测到三分之一的中微子。然而，由于中微子同其他粒子几乎不发生相互作用，探测中微子就需要将探测器放置于地下岩层几百米进而屏蔽掉宇宙射线。
另一个科学目标是质子衰变。构建粒子相互作用“大统一理论”的各种尝试，暗示了质子曾经是些不稳定的、并且很可能花费了比宇宙年龄还要长的时间而衰变成了更轻的亚原子粒子。探测到如此事件的唯一希望，就是在屏蔽掉宇宙背景辐射的干涉信号后进行长时间的监测。
该构想因此需要在山底下建造一个巨大洞穴。齐基基发现这样的一个洞穴就位于格兰萨索山。它距离罗马120公里，山下的公路隧道当时已经开始修建，但由于经济等原因而停工。“格兰萨索山的形状是完美无缺的”，他回忆道，“该山是平坦的，因此使得其厚度能够保持常数。”INFN的物理学家们在地下测量了宇宙射线，并发现宇宙射线的流量比地面低大约100万倍。放射性的测量也是鼓舞人心的，比地面低1 000倍，而且格兰萨索山的白云石中铀和钍的含量很低，其放射性很小。
拥有如此理想物理条件的一座山脉，并且已经包含了一个隧道，仅仅缺少交通。齐基基说：“这真是好得令人难以置信。”如果他们白手起家建造实验室，其花销将会是巨大的。结果花费了770亿意大利里拉，大约相当于今天的1.6亿美元。1979年，齐基基将这一计划呈递给意大利议会，1982年2月该计划获批，9月份施工。1987年，格兰萨索山的洞穴为第一代实验仪器的安装做好了准备。
“很长一段时间，格兰萨索实验室主要是物理学家的训练营，”费罗尼说――一个来自于粒子加速器物理学的完全不同的尝试。在那里，来自于世界各地的物理学家一起研究它们的工艺，并不是“粉碎”粒子看看发生了什么情况。相反，这些物理学家花费大量的时间挑选和检验用于作为屏障和探测器的物质，淘汰每一个背景噪音中可以想象的来源，并月复一月的分析大量数据――而对于这些数据的分析结果十之八九仅仅是发现了一个抵达探测器的背景噪音。
第一代实验确立了地下探测器会做些什么、不会做些什么。格兰萨索国家实验室早期有名的实验之一就是太阳中微子实验（Gallex），该实验从1991年进行到1997年，证明了戴维斯的丢失太阳中微子真的存在。然而，测量质子衰变的尝试被放弃了。“早期的理论太天真了，”费罗尼说，“观测到一个质子衰变很可能需要100万吨水或1万吨液态氩。我们缺乏技术、实验条件和资金。”进而转向了寻求磁单极：理论中预言的一种仅有一种磁极的粒子。探测磁单极粒子也曾是格兰萨索实验室的科学目标之一，是意大利同美国的合作项目MACRO。研究者们从1989年到2000年一直在寻找这种磁单极粒子，但却从来没有观测到它。
OPERA实验登场
到了二十一世纪，格兰萨索实验室进入了由新科学特征所标注的时代：一个完全成型的科学社区以及更大、更雄心勃勃的实验室设备。从停车场出来，首先会来到C大厅以及Gallex的继任者Borexino实验室，它是用来研究由太阳发出的中微子的完整能量范围。Borexino外形是一个巨大的球体，其直径18米，并嵌套带有两个同心球，如同俄罗斯套娃一样。外层球体充满了高纯水，有助于减少辐射到达内层球体；内层球体用来探测由于中微子撞击液体闪烁器而产生的闪光。
普林斯顿大学的物理学家、Borexino成员之一的克里斯蒂亚诺·加尔比亚蒂（Cristiano Galbiati）说，该实验中未抵消的背景噪音使得他们去年10月份报告称第一次探测到了低能中微子，而低能中微子是由太阳中极罕见的核反应所产生的――主要是质子和电子发生相互作用而产生氘并释放出这种低能中微子。由理论预言的这些低能中微子早前从未被观测到，这些低能中微子构成了用来解释太阳持续燃烧模型中丢失中微子的一半。“来自于太阳的低能中微子从高能中微子中以完全不同的方式振荡，”加尔比亚蒂说，“一劳永逸地解决太阳中微子问题的唯一途径就是测量横跨整个谱线的中微子，并且这是唯一足够消除背景噪音的实验。”
在Borexino实验室边上就是著名的OPERA实验：该探测器有三层楼高，由1.5万块胶片构成并由铅版分隔开。2008年，OPERA开始寻求来自于730公里以外CERN传来的一束中微子振荡。这束中微子仅仅包含了μ中微子，想法是希望这些中微子在到达格兰萨索山时他们能够测到τ中微子，以此证明它们可以从一种类型转换成另一种类型。2010年OPERA首次报告探测到了τ中微子，该小组希望在2012年内有更多发现。
OPERA构想于二十世纪九十年代首次提出，由于各种原因OPERA实验室的建造推迟了10年。最终当OPERA开始收集数据时，中微子振荡已经持续很久，而且已经被类似的日本和美国的中微子实验所证实。唯一令人感到欣慰的是，这些实验仅仅能够纪录μ中微子――到目前为止，唯有OPERA探测到了由μ中微子转化成的τ中微子。
然而，这些结果因去年9月OPERA小组的宣告而黯然失色。他们宣称似乎发现了中微子超光速。媒体的报道使得团队成员间出现了分化――其中一些人拒绝在文章中署名，并坚信这一结论可能是实验误差。持反对意见的人早早就发出了回应并大多是来自于B大厅的。在B大厅放置着OPERA的主要竞争对手ICARUS。ICARUS由一对矩形水槽构成，其长20米且里面注满了300吨液态氩，在探测τ中微子方面同OPERA竞争。“OPERA实验中τ中微子的置信度并不是很高，”ICARUS实验的副新闻发言人桑德罗·森特罗（Sandro Centro）说，“今年我们将要报告我们的结果，并且我们认为我们的置信度会更好。”去年10月，ICARUS小组用自己的中微子速度测量结果否定了OPERA的结论。
格兰萨索实验室前主管马里奥·莫纳切利（Mario Monacelli）是OPERA小组成员之一，他没有在去年10月的OPERA报告中署名。莫纳切利认为，气馁并不能影响实验室的日常工作。“但是它已经产生了无形的压力，这需要时间来抚平。”
另一个压力所在是A大厅及其周围事物，它们主要在寻求暗物质。暗物质的存在对天文学家而言是很清晰的，他们能够通过望远镜在星系和星系团中看到其引力效应。然而，暗物质性质是神秘的：它们完全透明，在穿越恒星和行星间好似这些物质根本不存在一样。一个盛行的故事是暗物质是弱相互作用大质量粒子（WIMP），它形成于大爆炸时期并充满了整个宇宙。关键是，在实验室的探测器中捕获并研究WIMP――该任务再一次需要屏蔽掉背景噪音。
格兰萨索实验室的暗物质实验（DAMA）从1996年开始，至今已经历过多次升级――该实验寻求当暗物质粒子碰撞碘化钠晶体时所产生的闪光。DAMA的一个假设是，在太阳系中穿过暗物质的地球速度随着它围绕太阳公转而变化，如此产生了暗物质粒子流量在通过探测器时会产生一个周年变化。13年来，该小组已经报告了这样的信号，尽管其结论要比理论预言的暗物质质量低很多。
而位于几米远的XENON100实验也令人揪心。该实验是由美国发起的，自2009年至今，已经使用了大约100千克液态氙用来探测WIMP。然而，实验并没有发现任何WIMP的迹象，公众的指责便转向了DAMA。DAMA的丽塔·贝尔纳贝伊（Rita Bernabei）坚持认为，XENON的结论依赖于暗物质的特定模型。“到目前为止存在着许多影响结论的不确定性因素。”其中包括DAMA和XENON实验。但XENON的科学家弗朗西斯科·阿恩奥东（Francesco Arneodo）对此没有把握。他说：“你可以如你所想的尽情摆布模型。但可惜的是，他们并没有做任何尝试来模拟能够平息争论的类似实验。”
费罗尼从DAMA的争论中看到了两种解决方案。“要么他们找到影响结论的症结所在，”他说，“要么他们真的找到了暗物质而直接到斯德哥尔摩拿诺奖。”
在格兰萨索实验室中，中微子研究在大面积展开。左边是OPERA实验，右上是Borexino实验，右下是ICARUS实验
实验室未来之路
离开地下实验室并沿着公路隧道来到西边的尽头，驱车并不需要很长时间。在格兰萨索山上的办公室，主管露西娅·沃塔诺（Lucia Votano）正计划着格兰萨索实验室的未来。格兰萨索实验室一年要花费INFN约1 000万欧元（1280万美元）――其中并不包括实验费用。在过去的10年里，该机构的预算已经削减了三分之一。由于意大利的紧缩措施，2013年其预算会进一步削减5%。
即使没有削减资金，沃塔诺说，山下的许多事情仍会发生改变。到2012年底，随着CERN关闭了它的加速器而升级其大型强子对撞机（LHC），格兰萨索实验室的中微子探测团队将会解散。OPERA和ICARUS也几乎必然会解散。森特罗说：“欧洲核物理的未来真是一片渺茫。”尽管ICARUS探测器将被移至CERN并作为一个测试平台用于开发更大的探测器。
与此同时，格兰萨索实验室可能仅关注于暗物质的探测以及另一个长期存在的问题，即标准模型没有预言的一个现象：无中微子的双β衰变。这被认为是一种极端罕见的放射性假设形式。如果中微子是其自己的反粒子，那么这种衰变就可能会发生。2001年，汉斯·K-克莱因罗思豪斯（Hans K-Kleingrothaus）及其同事声称已观察到这种新型核衰变过程。而在格兰萨索实验室用于该实验的装置现已被拆除，这使得没有其他实验能够复制出他们的结果，况且，克莱因罗思豪斯的统计结果被许多科学家质疑。尽管费罗尼承认他也怀疑这个结果，“如果这些结果是错的，他们同OPERA一样处于相同境地。”
沃塔诺和费罗尼希望格兰萨索实验室的GERDA实验将在两三年内明确地肯定或否定这个结果。GERDA实验主要是寻找无中微子的双β衰变。预计在2014年，CUORE将加入其中。CUORE是由1吨二氧化碲所构成的塔型装置。其结果，这两个实验很可能建造更大的探测器，将进一步增加探测到粒子的可能性。沃塔诺说：“宣称其中哪个技术最好还言之过早。”
至于暗物质，XENON团队现正在建造一个1吨的探测器――有望在2014年底开始收集数据――它将成为世界上最灵敏的WIMP探测器。另一个在进行中的实验是DarkSide，它将使用50千克的液态氩作为其探测手段，并借用Borexino实验削弱背景噪音的经验。同时，DAMA将进一步升级系统。德国实验CRESST已经开始在几乎绝对零度的晶体中寻求暗物质碰撞。
鉴于以上所有，XENON新闻发言人埃琳娜·阿普里勒（Elena Aprile）说：“WIMP首次探测将来自于格兰萨索实验室。”阿普里勒是哥伦比亚大学的一位物理学家。“如果我们完全在错误的轨道上，那么这将是让我们明白这一点的地方。”
相似的暗物质和双β衰变实验正在建设中或已在霍姆斯特克、萨德伯里和神岗进行。随着2年前地下2 500米的Jin-Ping实验室建成，中国也加入了暗物质探测的竞争中。利用较好的自然屏蔽条件，格兰萨索实验室的自然屏蔽条件等价于3 300米的水。而霍姆斯特克相当于4 100米的水，萨德伯里相当于6 000米的水。
与此同时，沃塔诺说，格兰萨索实验室开发的技术――例如Borexino实验所采用的俄罗斯套娃系统――允许它能模拟出更大的深度。目前它仍然是世界上最大、装置最好的地下实验室。阿普里勒指向实验室外部白雪覆盖的山峰说，这个地点是难以取代的。“如果我能在这样的一个地方做出好的物理学研究工作的话，为什么不呢？”
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣