物理學家熱切期待來自附近超新星的中微子 [節選]

天體物理學家們正積極準備接收來自我們銀河系中一顆爆炸恆星的中微子，他們希望這些亞原子粒子能夠為恆星死亡的物理學提供無與倫比的見解

1987年2月24日凌晨，在智利托洛洛山天文臺頂峰，伊恩·謝爾頓決定沖洗當晚最後一張底片，然後去睡覺。謝爾頓是多倫多大學聘請的常駐觀測員，他一直在山上擺弄一臺使用了幾十年的10英寸望遠鏡，將這臺小型儀器對準銀河系的銀河伴星之一，大麥哲倫星雲（LMC）。他從顯影槽中取出底片，檢查以確保三小時的曝光效果良好。然後，有什麼東西引起了他的注意：在被稱為蜘蛛星雲的熟悉蜘蛛狀特徵旁邊，有一個奇怪的亮點。他想知道這個不尋常的光點可能是什麼，並推斷這很可能是底片本身的缺陷。但為了確保萬無一失，他走出望遠鏡外殼，來到乾燥的山間空氣中，用自己的眼睛仰望天空。他看到大麥哲倫星雲中有一顆明亮的星星，前一天晚上還看不見。謝爾頓匆匆跑到山脊上的另一個望遠鏡圓頂，分享這個訊息。

當他在控制室與天文學家巴里·馬多雷和威廉·昆克爾討論他令人困惑的發現時，智利望遠鏡操作員奧斯卡·杜哈爾德插話說，他在幾個小時前出去休息時也看到了同一顆星星。他們四人一起斷定，這顆“新”星一定是超新星，一顆爆炸的恆星，其亮度可以短暫地超過十億個太陽。已知沒有其他型別的天文物體亮度變化如此劇烈，從前一天晚上拍攝的照片中太暗而無法記錄，到肉眼很容易發現。這意味著謝爾頓和杜哈爾德發現了一顆位於銀河系衛星星系中的超新星。幾個小時後，一位紐西蘭的業餘天文學家獨立地看到了同樣的東西。

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到上午中午，世界各地的科學家都瞭解了這一發現，他們從欣喜若狂的同事的電話和國際天文聯合會的電報中得知了訊息。他們的喜悅與“超新星1987A”（後來為人所知）是自近四個世紀前望遠鏡發明以來在我們的銀河系鄰域中觀測到的第一顆超新星有關。

天文學家們蜂擁而至，利用分佈在南半球的強大的光學、紅外和射電望遠鏡，以及宇宙飛船上的X射線和紫外線儀器，來觀察發生在大麥哲倫星雲中的這一重大事件。這是一個科學家們很少經歷過的瘋狂活動時期。正如一位興高采烈的天體物理學家所宣稱的那樣，“這就像聖誕節。”

對超新星1987A的這些研究為理論學家在超級計算機上覆雜模擬的幫助下，為一顆衰老的大質量恆星如何自我毀滅的場景提供了廣泛的支援，其核心坍縮成一個緊密堆積的中子球——稱為中子星——或黑洞，其噴射出的外層向外擴散，形成發光碎片雲。然而，慶祝活動不僅限於天文學家。對於粒子物理學家來說，對超新星的其他觀測為幽靈般的亞原子粒子中微子的性質提供了重要的線索。對1987年超新星的多樣化研究共同建立了對我們銀河系中類似的恆星坍縮的期待——這可能隨時發生，並且應該回答關於恆星死亡和中微子性質的揮之不去的問題。這一次，中微子獵人很可能成為第一個探測到該事件的人。

光子先驅
已故的約翰·巴卡爾，當時在普林斯頓高等研究院，發現超新星1987A非常令人興奮，以至於他失眠了。他的興奮是有充分理由的：巴卡爾知道，這次宇宙災難的最先到來，並且可以說是最重要的先兆，一定是在天文學家使用傳統望遠鏡發現超新星的幾個小時前到達的。他很清楚，根據恆星演化的理論模型，大質量恆星生命末期的核心坍縮應該導致大量的中微子爆發，這些中微子將幾乎不受阻礙地逃離恆星深處的爆炸地點。可見的煙火只會稍後出現，當恆星的外殼爆炸時。在聽到超新星1987A的訊息幾分鐘後，巴卡爾和他的兩位同事開始計算地球上各種中微子探測器應該記錄到多少中微子。他們確定答案應該是幾十個中微子，並在一週內向《自然》雜誌提交了一篇論文，其中包含他們的結論，以便他們的預測可以在實際測量之前發表。[編者注：《大眾科學》是自然出版集團的一部分。]

與此同時，實驗物理學家已經開始搜尋世界各地幾個地下探測器記錄的資料。他們記錄超新星中微子的最佳機會是在日本的神岡實驗中，該實驗由一個四層樓高的圓柱形純淨水罐組成，周圍環繞著1000個光電倍增管，用於記錄當中微子與水原子相互作用時產生的光閃爍。未能測量到來自超新星1987A的中微子可能意味著我們對超新星如何工作的基本理解存在缺陷。

果然，令全世界科學家徹底鬆了一口氣的是，中微子訊號在資料中清晰地顯現出來，毫無疑問地表明瞭它的來源。神岡探測器的光電倍增管在持續幾秒鐘的爆發中拾取了11次閃爍，這比智利和紐西蘭的天文學家首次光學觀測到超新星早了近三個小時。在地球另一端的淺層鹽礦中，位於伊利湖下，離克利夫蘭不遠，一個類似的中微子探測器在與神岡完全相同的時間記錄了八次閃爍。後來，科學家們得知，位於俄羅斯高加索山脈巴克桑中微子天文臺的第三個油基探測器也記錄了五個中微子。

探測到的二十幾個中微子只是數十億計的中微子中的一小部分，這些中微子以爆發的形式掃過我們的星球，起源於大麥哲倫星雲中爆炸恆星的核心。由於這三個中微子“天文臺”都位於北半球，而大麥哲倫星雲位於南半球，因此中微子必須從地球的一側穿過另一側，穿過我們星球的內部，並從下方進入探測器。

探測到總共二十幾個粒子聽起來可能沒什麼值得誇耀的。但是，這些中微子事件的重要性在於，多年來它們一直是數百篇科學論文的主題。超新星1987A是我們首次觀測到來自太陽以外天文來源的中微子。正如俄亥俄州立大學的理論物理學家約翰·比科姆所說，“中微子使我們能夠看到一顆大質量恆星在其生命末期的內部，因此我們可以進行天體物理學研究，而天文學家原本永遠無法做到。”

超新星中微子探測，儘管稀疏，但驗證了一顆大質量恆星如何爆炸的一些重要細節。天體物理學家很高興發現他們測量的中微子的數量和能量與他們基於爆炸理論計算的期望相符。由於理論和觀測之間的高度一致性，研究人員得出結論，超新星沒有透過某種神秘的過程損失能量——例如，透過中微子發射假想粒子軸子或洩漏到神秘的額外維度。中微子在幾秒鐘內而不是一次性爆發到達，證實了它們確實需要一些時間才能從極其稠密的收縮核心中出來，正如預測的那樣。

此外，這些測量還揭示了中微子自身性質的線索。由於中微子在超新星被光學照片捕捉到之前不超過三個小時到達地球，它們一定以非常接近光速的速度傳播。較輕的粒子比重粒子傳播得更快，因此科學家們推斷，中微子的質量一定非常小。事實上，根據粒子從超新星1987A到達的時間，科學家們能夠證明，儘管中微子的數量驚人，但它們不太可能構成瀰漫宇宙的神秘“暗物質”。更重要的是，當2011年媒體瘋狂報道中微子以超過光速的速度傳播時，一個強有力的反駁論點是基於對1987年超新星的觀測。如果這些粒子確實像實驗最初報告的那樣快地傳播，那麼來自超新星1987A的中微子爆發應該比光學光早幾年到達地球，而不是僅僅提前幾個小時。

積極準備
超新星1987A激起了天體物理學家們瞭解垂死恆星內部運作的胃口。“想象一下，如果我們能夠探測到來自附近超新星的1000箇中微子，我們能學到什麼，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的亞歷克斯·弗裡德蘭德沉思道。如此驚人的事件不僅能讓我們準確地指出爆炸過程中的事件順序，還能明確地告訴我們這顆命運多舛的恆星變成了什麼。粒子物理學家也對來自超新星的中微子感興趣，因為它們提供了一個難得的機會來理解這些難以捉摸的粒子在實驗室無法複製的極端條件下的行為。

兩組科學家要實現他們的目標，都需要我們銀河系中發生核心坍縮超新星。令人驚訝的是，自1604年以來，銀河系中就沒有觀測到超新星，當時包括德國數學家約翰內斯·開普勒在內的觀星者注意到蛇夫座中出現了一顆“新星”。這顆超新星在其峰值時非常明亮，以至於在白天也能看到。就在三十年前，即1572年，包括傳奇丹麥天文學家第谷·布拉赫在內的歐洲觀察家也看到了另一顆超新星。目前的證據表明，這兩顆超新星都是由一顆被稱為白矮星的恆星灰燼爆炸造成的，白矮星要麼吞噬了來自伴星的物質，要麼與另一顆白矮星合併，而不是來自大質量恆星在其生命末期的核心坍縮。

根據他們對其他星系的觀測，今天的天文學家估計，在銀河系中，每個世紀至少有幾顆大質量恆星會爆炸。即使星際物質阻擋了來自我們銀河系遙遠區域的超新星的光，它也不會阻礙中微子的透過，因此探測到中微子爆發將揭示銀河系任何地方一顆大質量恆星的死亡。我們已經擁有靈敏的中微子探測器運行了大約四分之一個世紀，如果我們的估計是正確的，我們現在應該期待銀河系超新星隨時爆發。“這將是一生只有一次的機會，所以我們最好做好準備，”慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所的喬治·拉弗爾特說。

杜克大學的凱特·肖爾伯格對此表示贊同。她和她的同事們建立了超新星早期預警系統——簡稱SNEWS——一個協調網路，旨在快速通報銀河系中的核心坍縮爆炸。該計劃是，全球各地對超新星中微子敏感的探測器——例如南極洲的冰立方，義大利的大體積探測器和 Borexino，以及日本更大、更靈敏的神岡版本，稱為超級神岡——將向長島布魯克海文國家實驗室的中央計算機報告候選爆發。“如果幾個中微子探測器同時亮起，那麼很可能附近發生了超新星爆發，”肖爾伯格解釋說。

如果SNEWS計算機在兩個探測器的訊號之間發現10秒內的巧合，它會向全球天文臺發出警報。肖爾伯格和她的同事們希望地面和太空中的望遠鏡能夠儘快記錄來自爆炸的電磁輻射，包括可見光、無線電波和X射線，並觀察其早期階段的展開。“我們的想法是讓儘可能多的人在任何地方進行觀察，以獲得最佳機會來精確定位早期光，”她說。

“測量來自銀河系超新星的中微子將告訴我們大量資訊，”肖爾伯格說。“這是一個令人難以置信的豐富資訊礦藏。”探測器將記錄到達的中微子的數量和能量如何隨時間演變，這將使我們深入瞭解爆炸是如何展開的。除其他外，科學家們將能夠確定恆星的核心是否完全坍縮成黑洞，從中沒有任何東西——甚至中微子——可以逃脫，或者它是否在短時間內停止，而是形成了中子星。如果黑洞形成，從中微星向外飛出的中微子流將突然停止。另一方面，如果最終產物是中子星，那麼恆星灰燼將在冷卻時繼續發射中微子約10秒鐘，因此中微子流應該緩慢減少而不是突然切斷。

銀河系超新星也可以闡明中微子本身的性質。例如，物理學家一直在努力確定他們所謂的“中微子質量等級”。實際上，他們想知道是存在兩個重質量態加一個輕質量態，還是一個重質量態和兩個輕質量態，他們相信測量超新星中微子將確定答案。更重要的是，在超新星核心中，中微子的密度非常高，以至於中微子之間的相互作用（否則它們會忽略彼此的存在）可能會改變它們的行為。“我們可能會看到一些奇異的中微子集體振盪，”肖爾伯格說。“如果它們的行為有任何異常，它們可能會指向超出標準模型的新物理學，”標準模型是經過充分檢驗的基本力和基本粒子的框架。

幸運的是，幾個現有的探測器足夠靈敏，可以記錄來自銀河系任何地方的超新星的中微子。例如，超級神岡將記錄來自銀河系中心附近超新星的數千次命中，距離超過25,000光年。它甚至可以將中微子的來源方向精確定位到幾度以內，相當於比滿月大幾倍的天空區域。冰立方將記錄一百萬次事件，最適合跟蹤中微子流如何隨時間演變。“我們將能夠看到爆炸的整個10秒故事，以每毫秒拍攝的快照展開，”威斯康星大學麥迪遜分校冰立方首席研究員弗朗西斯·哈爾岑說。“我們將能夠確定中子星形成的確切時刻。”

然而，目前的探測器僅對一種型別的中微子敏感，即電子反中微子。（中微子及其反物質對應物各有三種所謂的味：電子、μ子和τ子。）“僅觀察一種味就像透過單色濾鏡拍照，”肖爾伯格觀察到。她寧願擁有全綵視野。作為開發多色視覺的第一步，肖爾伯格和她的加拿大同事正在安大略省的SNOLAB建造一個專用裝置，稱為氦和鉛天文臺（HALO）。HALO使用80噸鉛作為探測器材料，對電子中微子敏感，因此它將補充其他現有探測器，這些探測器記錄它們的反物質孿生體。HALO作為中微子探測器而言相當小，因此超新星必須在銀河系較近的一半範圍內爆炸才能被探測到。

等待遊戲
儘管前景令人興奮，但要實現它們，必須等到銀河系附近發生核心坍縮超新星爆發。漫長的等待令人沮喪。正如俄亥俄州立大學的比科姆所說，這“只是屏住呼吸的問題”。問題是，目前的觀測站不夠靈敏，無法探測到來自其他星系的許多超新星。例如，超級神岡將僅記錄來自仙女座星系（銀河系最近的同等規模的鄰居，距離250萬光年）的單次微不足道的事件。

儘管所有證據都表明，衰老中的巨星，如參宿四和海山二，將在不久的將來迎來火熱的終結，但我們不知道它們的滅亡何時到來。在宇宙尺度上，“不久的將來”很可能在幾十萬年之後。儘管如此，在未來幾十年內，銀河系某處的一顆大質量恆星爆炸的可能性還是很大的。正如洛斯阿拉莫斯國家實驗室的弗裡德蘭德告訴我的那樣，“如果我必須押注什麼會先發生，是下一個銀河系超新星，還是在美國建造下一個大型粒子對撞機，我的錢會押在超新星上。”即使超新星離地球太遠，我們無法透過銀河系塵埃面紗觀察到它的光，它也會在世界各地的中微子探測器中閃耀光芒。這將是一場轟動性的事件，一個分水嶺時刻，中微子獵人將以前所未有的方式慶祝它。