月球上能进行中微子实验吗？

鲍海飞2015-11-5

今年的诺贝尔物理奖授予了有关中微子方面的发现，即发现了中微子振荡，表明中微子具有质量。

虽然从1930年开始（奥地利物理学家泡利提出了一个有关中微子假说），历时80多年，人们对中微子的许多特性尚不十分清楚。现在掌握的中微子基本性质是，它是一种轻子，是组成自然界的最基本的粒子之一。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（有的小于电子的百万分之一），以接近光速运动。中微子体积非常小，可自由穿越地球，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。中微子只参与弱相互作用和引力相互作用，具有最强的穿透力，故而仪器很难探测得到。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。1998年，日本超级神冈（Super-Kamiokande）实验以确凿的证据发现了中微子振荡现象。

据知，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电、太阳发光、天然放射性（即b衰变）、超新星爆发、宇宙射线、粒子加速器等。宇宙中存在着大量宇宙大爆炸时期产生的中微子。地球附近的中微子大多数来源于太阳的核反应。事实上，每秒钟每平方厘米有650亿个太阳中微子穿过地球。由此可以想象，宇宙间有多少‘丢失’的质量！

虽然这个数目及其巨大，但由于与物质相互作用及其微弱，只能以几率事件‘守株待兔’被动的方式进行观察，无疑这比盲人摸象还难。为了在实验上观察中微子，就需要在地球上建立大型的探测装置仪器。如，利用神冈町地下一公里深处废弃的锌矿坑，构建了一个巨大的装有5万吨水的水池，周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，与水中氢原子核发生撞击的几率相当高，碰撞时产生的光子能够被周围的光电倍增管捕获，并通过计算机进行数据处理。

在观察太阳辐射的中微子，以及其它星系爆炸产生的中微子时，总要受到大气层的影响。宇宙射线在通过大气时总要产生新的辐射过程，有产生、吸收和衰减等过程，这就对确定中微子的产生和来源带来了复杂性，影响结果分析。基于此，作为一个感兴趣的外行，提出一个新的设想，即能否在月球上以某种形式进行中微子‘虚拟’实验，虽然在地球上的检测实验已经相当难了。

考虑在月球上进行中微子观测，理由如下：

第一，月球上没有空气，没有大气层，这样可以避免宇宙射线在大气层中产生中微子的干扰等。第二，月球被认为是一个‘死’了的星球，是一个内部没有活力、没有动力的星球（但会存在放射性物质）。因此，是否能够直接把月球作为一个‘类冰体’来考虑。这样就可以避免来自月球内部的一些辐射干扰。而地球内部却是一个一直在‘燃烧’着的大火球，内部辐射干扰就很大。第三，月球上人为活动造成的影响很小。比如我们地球的大气层中就有很多残留的核物质粒子。

在月球上可以进行的实验如下：第一可以直接考察来自太阳的中微子辐射。包括其真正的来源和数目，包括其中黑子的活动等。第二，可以考察其它星体、超新星之类星体的辐射。第三可以分别测试月球迎着太阳直接辐照面，以及月球背面的中微子辐照差异，来考察月球对中微子的影响，量度月球对中微子的吸收，以此也可以开展月球性质的研究。包括月球的起源、内部的构成以及是否存在其它辐射问题。并与地球上测试得到的结果进行对照比较分析。

但在月球上如何建造大型检测装置是个大问题，因为我们无法在月球上制造巨大的检测装置。这里有两个方案，第一，就地钻探取材。能否针对月球的地质地貌构造特点，就地取材，进行钻探埋置实验。比如类似1994年的美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下800米深处安装辐射探测器，以观测来自宇宙射线中的中微子。(其中，冰不产生自然辐射，不会对探测效果产生影响。此外，把探测器埋到深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。)

第二，我们是否还没有找到更简洁更有效的方法来检测中微子？如果有一种介质能够具有很高的中微子吸收响应，那么就需要火箭携带很少的介质运送到月球上开展实验了。这样，通过相对简易的‘云室’检测方法，放置固定的‘液体’漕，就可以在月球表面进行探测。

粒子物理界的大师和内行人笑了，这是痴心妄想。中微子可以任意穿越，不受任何限制，在地球上就足够了。是啊，又如何在外太空构建一个体积硕大的一立方公里的‘冰立方’(icecube)来检测中微子？！慢点，是否可以在利用空间站来开展相关的实验！如果真是这样，我们是否永远不能在外太空进行中微子的检测实验？是否也没有没要在外太空进行此类实验？

理想很动感，希望很渺茫。外行凑热闹，内行很焦躁。