一个失败的核实验如何意外地产生中微子天文学？

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有时候，设计最完美的实验也会失败。所寻找的效应可能不会发生，意味着我们要始终准备好接受一个无效结果。当这种情况发生时，这个实验通常会被认为是失败的。

然而，偶尔所造的设备可能对其他的东西非常敏感。当以一种新的方式，新的灵敏度，或在新的，独特的条件下进行科学研究的时候，这通常是产生最令人惊讶，最意外的发现的情况。1987年，一项检测质子衰变的失败实验首次发现中微子不仅来自我们的太阳系外，还来自银河系以外的地方。这就是中微子天文学诞生的方式。

中微子是理论物理史上最成功的发现之一。在20世纪早期，有三种已知的放射性衰变：

（1）α衰变，一个较大的原子射出一个氦核，在元素周期表下移两个元素。

（2）β衰变，原子核释放出一个高能电子，在元素周期表上上移一个元素。

（3）γ衰变，原子核释放出一个高能光子，在元素周期表上保持同一位置。

在任何反应中，根据物理定律，无论初始反应物的总能量和动量是多少，最终产物的能量和动量需要一致。α衰变和γ衰变一直都遵循这个定律。但β衰变中的能量总是失去。

1930年，沃尔夫冈•泡利提出了一种新的粒子来解决这个问题，即中微子。这个微小、中性的粒子会携带能量和动量，但极难被探测到。它不会吸收或发射光，而且仅与原子核非常罕见地相互作用。

泡利在提出有这种粒子之后没有感到自信和兴奋，而是感觉羞愧，因为他觉得自己假设了一个无法发现的粒子。尽管他持保留意见，但实验证明了这一理论是正确的。

1956年，中微子（或者更确切地说是反中微子）首次作为核反应堆的一部分被直接探测到。当中微子与原子核相互作用时，会产生两种结果：

（1）它们散射，引起反冲，就像一个台球撞到其他台球一样；

（2）它们导致发射新粒子，新粒子有自己的能量和动量。

无论哪种方式，都可以在期望中微子相互作用的地方建造专门的粒子探测器来寻找它们。这就是第一代中微子被探测到的方式：在核反应堆的边缘建造对中微子特征敏感的粒子探测器。如果我们重现包括中微子在内的产物的所有能量，那么能量是守恒的。

理论上，无论核反应在哪里发生，都会产生中微子，如在太阳、恒星和超新星中，以及每当高能宇宙射线撞击地球大气层中的粒子时，也会产生中微子。到20世纪60年代，物理学家在建造中微子探测器，以寻找太阳（来自太阳）和大气（来自宇宙射线）的中微子。

大量的有质量材料被设计用来与探测器里的中微子相互作用，这些材料将被这种中微子探测技术所包围。为了保护中微子探测器远离其他粒子，它们被放置在地下：在矿井中。只有中微子才能进入矿井，其他的粒子应该会被地球吸收。到60年代末，太阳和大气中的中微子都已经成功地找到了。

为中微子实验和高能加速器开发的粒子探测技术被发现适用于另一种现象：寻找质子衰变。虽然粒子物理学的标准模型预测质子是绝对稳定的，但在许多扩展理论中，比如大统一理论，质子可以衰变为更轻的粒子。

理论上，当质子衰变时，它会以极高的速度发射低质量粒子。如果能探测到这些快速移动粒子的能量和动量，就可以重建总能量，看看它是否来自一个质子。

如果质子衰变，那它们的寿命一定非常长。宇宙本身是10^10年的历史，但是质子的寿命必须要更长。那是多久？关键是不要只看一个质子，而是看一个大数目。如果一个质子的寿命是10^30年，那可以取一个质子，等待那么长的时间（不太实际），或者取10^30个质子，等1年，看看是否有衰变。

一公升的水含有超过10^25个分子，其中每个分子包含两个氢原子，原子中一个质子被一个电子围绕。如果质子是不稳定的，那么一个足够大的水池，加上周围有大量的探测器，就可以测量或抑制它的稳定性/不稳定性。

1982年，物理学家开始在日本神岗矿区建造一个大型的地下探测器。探测器被命名为神冈核子衰变实验。它的体积大到可以容纳3000吨的水，周围大约有上千个被优化的探测器，以探测快速移动粒子发出的辐射。

到1987年，探测器已经运行了好几年，但一个质子衰变都没发现。在这个容器中大约有10^33个质子，这个零结果完全排除了大统一理论中最流行的模型。据我们所知，质子不会衰变。

神冈核子衰变实验的主要目标失败了。

但随后发生了意想不到的事情。16.5万年前，在银河系的一个卫星星系中，一颗大质量恒星到达了生命的尽头，最后发生超新星爆炸。1987年2月23日，这束光第一次到达了地球。

但在这束光到达之前的几个小时，神冈核子衰变实验发生了一些不寻常的事情：总共12个中微子在大约13秒内到达。总共有两次爆发，第一次包含9个中微子，第二次包含3个中微子，证明了产生中微子的核反应过程在超新星中大量存在。

这是我们第一次探测到来自太阳系外的中微子。中微子天文学的科学才刚刚开始。在接下来的几天里，来自这颗超新星的光被许多陆基和天基天文台观测到处于各种波长中，这颗超新星现名为SN 1987A。基于中微子的飞行时间和光到达时间的微小差异，我们了解到：

（1）中微子以与光速不相上下的速度飞行了16.5万光年；

（2）它们的质量可能不超过一个电子的1/30000；

（3）中微子在从坍缩恒星的核心到它光球层的过程中并没有减速，就像那束光。

即使在今天，也就是30多年后，我们还可以研究这颗超新星遗迹，看看它是如何演化的。

这一结果的科学价值必须加以重视。它标志着中微子天文学的诞生，就像第一次直接探测到来自黑洞合并的引力波，标志着引力波天文学的诞生。这是多信使天文学的诞生，标志着第一次在电磁辐射（光）和另一种方法（中微子）中观测到同一天体。

它向我们展示了使用大型地下设备来探测宇宙事件的潜力。它给了我们一个希望，有一天我们可能会做出终极观察，即光，中微子，和引力波聚集合在一起的一个事件来告诉我们宇宙中天体的运转方式。

​最巧妙的是，它导致了神冈核子衰变实验的重命名。神冈核子衰变实验完全失败，所以这个名字淘汰了。但是从SN 1987A的中微子中得到的惊人观测结果催生了一个新的观测台：神冈中微子探测器实验。在过去的30多年里，这个探测器已经升级了很多次，世界各地也出现了多个类似的设施。

如果今天银河系内有一颗超新星爆炸，我们将会接收到超过1万个中微子到达我们的探测器。所有这些结合起来，进一步限制了质子的寿命大于10^35年，但这不是我们建造它们的原因。每当一场高能量的灾变发生时，中微子就会在宇宙中加速。有了我们的探测器，中微子天文学会蓬勃发展，而且准备好接受宇宙发送给我们的一切。