中微子的速度可能超光速，也可能不超光速，但無論如何，它們都是特殊的小粒子。它們高速穿過地球，穿過你，穿過萬物；但由於它們不帶電荷且體積微小，它們與周圍環境的相互作用極其微弱，以至於其他粒子幾乎察覺不到它們的存在。
這些亞原子粒子極為微小，幾乎無法被觀測到，但它們卻起源於宇宙中最劇烈、最具破壞性的過程。源自深空的超高能中微子，被稱為天體物理中微子，它們從宇宙最劇烈區域——伽馬射線暴、耀變體、類星體以及星系中心的黑洞——的黑暗中心逃逸而出。它們可以作為來自這些動盪區域的宇宙信使，但首先我們必須找到它們，而這極其困難。因此，歐洲科學家計劃建造人類歷史上第二大建築，專門用於尋找它們。
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位於地中海3,200英尺（約970公尺）深的海水之下，一座名為KM3NeT的中微子探測器將凝視海底，試圖觀測穿越地球的中微子。這座體積達3立方公里的探測器也將作為一座新的海洋觀測站，坐落於世界上最繁忙的水域之一，幫助生物學家聆聽鯨魚的聲音並研究發光生物。參與此計畫的法國國家核子物理研究所研究員、物理學家喬治·里科貝內表示，這將是繼中國長城之後人類建造的最大建築。 「問題是，恐怕沒人能看到它，」他笑著說。
里科貝內表示，他們的目標是尋找起源於宇宙大災變的天文物理中微子。這些中微子或許能夠幫助解釋宇宙射線的起源──宇宙射線是由未知來源向地球傾瀉而下的質子流。為了穿過銀河系、太陽以及地球本身產生的磁場，這些宇宙射線必須擁有極其強大的能量，但它們不像光那樣能夠指向其源頭。中微子可以幫助我們重建它們的路徑。
里科貝內說：“在這樣的能量下，唯一能來自遙遠源頭的高能粒子就是中微子。因此，通過觀測它們，我們可以探測遙遠而劇烈的宇宙。”
這項龐大的探測器計畫是一項泛歐合作計劃，匯集了來自10個國家（從英國到羅馬尼亞）的40個研究所或大學團隊。 11月24日，義大利研究部批准了2,080萬歐元（約2,770萬美元）的資金，用於建造探測器的第一部分，其中包括30座水下塔，每座塔配備37200個光電倍增管模組。這些小型數位相機將捕捉到預示中微子到來的標誌性閃光。
中微子的本質
在今年秋季，另一組義大利物理學家提出的、至今仍備受爭議的超光速中微子探測結果成為新聞焦點之前，大多數公眾可能從未聽說過「中微子」這個詞。據稱，OPERA實驗探測到的超高速中微子是由一束質子產生的，並從日內瓦出發，穿過阿爾卑斯山脈，最終抵達位於義大利格蘭薩索山（一座建在物理實驗室頂部的山峰）。該實驗旨在監測中微子是否有振盪現象，振盪是中微子眾多奇特行為之一，也是它們引人入勝的原因。 （超光速中微子的發現，過去是，現在仍然是，一個完全出乎意料的發現。）
透過觀測地球上的中微子，物理學家可以探索遙遠而劇烈的宇宙。中微子產生於某些類型的放射性衰變，例如太陽、核反應器以及宇宙射線與其他物體碰撞產生的中微子。根據粒子和力的標準模型，中微子有三種類型，稱為「味」：電子中微子、τ子中微子和μ子中微子。中微子可以在這三種「味」之間轉換，這種奇特的現像已被日本和美國用於研究宇宙為何由物質而非虛無構成。
它們是中性的——因此得名，這個名字是由恩里科·費米創造的，在意大利語中意為“小小的中性粒子”——這意味著它們幾乎可以不受阻礙地穿過現實世界。麻省理工學院的粒子物理學家彼得·費雪舉了一個例子：將一個高能量電子射入一塊金屬，比如說三公分厚的金屬片，它會與金屬原子中的其他粒子相互作用。在這些碰撞中，它會損失大量能量，產生其他亞原子粒子，這些粒子隨後可以被偵測到。
費雪說：「對於能量相同的中微子，你需要大約一光年的重金屬才能探測到它，因為中微子的相互作用強度要小得多。任何時候你探測到粒子，實際上都是在讓粒子與某種物質發生相互作用，無論是水、鋼、空氣還是冰。粒子的相互作用越弱，它就需要越多的物質才能與之相互作用。」
KM3NeT裝置並非使用光年大小的金屬塊，而是利用海洋。其工作原理如下：在宇宙的某個角落，宇宙中最強大的力量之一將亞原子粒子分解成其組成部分，產生超高能中微子。這些粒子中的一些可能偶然地來到我們的銀河系，最終抵達地球，並在那裡引發帶電粒子的反應。里科貝內解釋說，這就像一場撞球遊戲。
「中微子就像是擊碎『城堡』的子彈，『城堡』指的是構成原子核的那群『撞球』。當它擊碎這座『城堡』時，就有可能產生一個外射粒子，」他說。如果產生的是μ子——一種帶電的亞原子粒子，比電子大得多——那可就太好了。 μ子的形成會輻射出一束藍色的光錐，稱為切倫科夫輻射。如果物理學家夠幸運，這種閃光就會發生在清澈而深邃的介質中，例如南極冰層或地中海深處。
「這就是我們尋找的光，用來重建μ子的運動軌跡，」里科貝內說。 “所以從這個意義上講，它就像一台水下望遠鏡。水讓我們能夠更清晰地觀察到這種反應。”
透過向下穿透地球進行探測，探測器最大限度地降低了探測到大氣中微子的機率。除了作為探測介質外，數千英尺厚的海水還起到了輔助粒子屏蔽的作用。
一張三公里長的網
不出所料，實現這些光觀測的技術相當複雜。偵測這些藍色閃光的光學感測器稱為光電倍增管，每個光電倍增管都能記錄單一光子產生的電訊號。在先前的探測器中，包括IceCube以及Antares和AMANDA等前身探測器，光電倍增管都是一維的，並且安裝在繩索上。 KM3NeT將把它們安裝在被稱為數位光學模組的球形壓力容器中，然後將這些模組安裝到水下塔架上。
「這將提高解析度和追蹤精度，」里科貝內說。 “使用單個大面積光電管，你會丟失到達方向信息，但使用多個小尺寸光電管，你就能知道方向。”
該塔網仍有多種可能的配置方案，但整個系統將覆蓋數立方公里的體積，這也解釋了其名稱KM3NeT的由來——即「千立方中微子望遠鏡」。塔身高度將超過800公尺（2624英尺）－目前仍處於規劃階段，預計其高度將超過杜拜的哈利法塔（2723英尺）。
這些光學模組的設計能夠承受六個大氣壓力的壓力，大致相當於海面下20,000英尺（約6,000公尺）的壓力。每個直徑17吋（約43公分）的球體將容納31個3吋（約7.6公分）的光電倍增管，每個光電倍增管周圍都環繞著一個聚光環，以進一步擴大光收集面積。此外，該光學模組還將包含校準感測器，例如聲學壓電感測器、羅盤和傾斜儀以及奈米信標。
它們將被安裝在20英尺長的桿子上，每個探測單元將連接40根桿子。里科貝內說，探測器看起來就像一系列海底塔。每立方公里水體大約會有100個探測單元。整個網路透過中央不銹鋼管道連接，管道內含光纖，用於將探測器與數英里外的岸上站連接起來。
KM3NeT的設計目標是比IceCube更靈敏，至少在探測大氣中微子方面是如此，這一點物理學家可以進行實際測試。但就天體物理中微子而言，目前尚無人知曉其解析度如何。
「沒有人見過它們，」里科貝內說。 “我們預計大氣μ子每秒可以探測到大約3000個，但對於天體物理μ子，目前還只是猜測。”
里科貝內表示，光電倍增管模組已經在製造中，並且已經部署了幾個模組進行不同階段的測試，工程師們仍在繼續規劃。目前，探測器的最終設計方案仍不確定，因為來自幾個歐洲研究機構的資金也存在不確定性。目前有幾種方案，包括建造一個比IceCube大五倍的巨型探測器，或將其拆分為三個探測器，分別部署在三個不同的地點。 KM3NeT甚至可以與現有的探測器協同工作，例如歐洲的小型探測器Antares。
KM3NeT是迄今為止體積最大的探測器，但它也只是眾多超大型、超靈敏探測器中的最新成員。與其最接近的「冰立方」探測器建成不到一年，其滿載觀測的第一年數據還要六個月才能公佈。研究人員已經觀測到大量在地球上空產生的大氣中微子，但尚未觀測到天文物理中微子——至少目前還沒有，冰立方發言人、馬裡蘭大學物理系教授兼副主任格雷格·沙利文表示。
他說：“我們設定了一些有趣的限制條件，並開始排除一些模型。還有一些參數是理論學家目前還不清楚的。”
IceCube 和 KM3NeT 在許多方面都很相似——它們都利用地球作為過濾器來阻擋背景輻射並尋找中微子，也都利用深厚的緻密介質來搜尋切倫科夫輻射。但它們的觀測方向不同——IceCube 觀測到北半球天空，而 KM3NeT 則觀測南半球天空，巧合的是，從地球上看，南半球正是銀河系中心的方向。蘇利文說，IceCube 的體積也小得多，只有 1 立方公里，而 KM3NeT 則有 3 立方公里。
「建造大型中微子望遠鏡的想法由來已久，物理學家一直認為在深海建造是最簡便的方法。但事實證明，由於南極現有的基礎設施，在那裡建造相對來說成本更低、效率更高，」他說。
尋找像中微子這樣的天體時，需要盡可能大的空間體積。但尋找像中微子這樣通量極低的天體時，同樣需要盡可能大的空間體積，因此冰立方可能不夠大。里科貝內說，KM3NeT最初構想時，物理學家曾考慮建造另一個與冰立方大小相當的天文台，但早期的結果——或者說缺乏結果——促使他們將規模擴大。他表示，KM3NeT的探測能力將是冰立方的兩到三倍。
然而，並非所有人都認為這是正確的策略。麻省理工學院的費雪想知道，究竟要多大才算夠大，物理學家才會開始考慮他們為何找不到天文物理中微子的其他原因。
「物理學界有一部分人認為，這些粒子擁有加速器所能產生的最高能量，這沒錯。它們或許能告訴我們一些關於宇宙的新信息，這也沒錯。但這一切都只是『可能』。而且，我還沒從這些實驗中看到任何新發現，」他說。 “我的看法是，如果你觀測到了什麼，如果大型強子對撞機產生了某種有趣的新粒子，並且你了解它的一些特性，那麼你就知道該尋找什麼，該建造什麼樣的探測器。但到目前為止，僅僅建造越來越大的探測器並沒有奏效。”
KM3NeT 的合作者仍在研究能夠提高成功率的演算法，包括模式識別過程和光模組錯誤率。
複雜物理學推動新的合作
至少，在試圖理解超強亞原子粒子之間複雜相互作用的同時，這些巨型天文台也為其他科學家帶來了一些額外的好處。里科貝內說，為了更了解它們的探測器——海洋，KM3NeT的科學家們正在與海洋學家合作。
「海洋就是我們的探測器，我們必須了解探測器的工作原理，」他說。 「主要問題之一是深海細菌的發光，這可能會影響我們的光電倍增管。我們需要生物學家來確定預期範圍、與洋流的相關性等等。另一方面，這套儀器非常靈敏，這些光電倍增管可以幫助他們在深海中發現新事物。”
光學模組還將配備水聽器，海洋學家可以利用水聽器來聆聽鯨魚的歌聲。
蘇利文說，冰立方團隊一直在與研究冰芯的研究人員合作。嵌入南極冰層中的塵埃顆粒可以提供長達10萬年的火山活動記錄，這些冰芯樣本對冰川學家和鑽取樣本插入攝影機的物理學家來說都同樣有用。
KM3NeT聯盟去年冬天發布了一份重要的技術報告，詳細闡述了探測器配置的各種方案，大部分技術難題已經解決。目前，建造這座龐大建築的關鍵在於資金和歐洲地緣政治。例如，主要合作方之一位於希臘，而希臘正遭受全球金融危機的重創。里科貝內表示，目前仍有多種方案可供選擇，他相信該計畫將繼續推進。隨著義大利部分的資金到位，初步建設工作預計將於明年啟動。
如果KM3NeT能夠達到其計劃的能量範圍分辨率，從幾百吉電子伏特到幾十億太電子伏特，那麼將會有很多東西值得探索。在這個能量範圍內，物理學家或許能夠尋找諸如磁單極子或暗物質候選者之類的奇異粒子。但主要目標仍是天文物理中微子，它們是宇宙中最常見，同時也是最獨特的粒子之一。
