【科技暢想】深入地下700米 探秘「幽靈粒子」

最近，筆者與香港聖公會李炳中學校長及三十多名師生踏上了一趟與眾不同的科學旅程。目的地並非尋常的博物館或展覽廳，而是廣東江門開平打石山深處、一座「一般不對外開放」的國家重大科技基礎設施——江門中微子實驗室（JUNO）。對習慣在城市中生活的香港師生而言，這是一次從地面向地心、再從地心向宇宙的認知翻轉。

江門中微子實驗室並非旅遊景點。它坐落於地下700米的花崗岩層之中，入口毫不顯眼，沒有售票處，也沒有歡迎橫幅。地下700米有多深？俄羅斯聖彼得堡地鐵以深度著稱，其最深的海軍部站達86米，但與700米相比仍是小巫見大巫。700米大約相當於二百三十層樓的高度，比828米的哈利法塔矮約128米。要進入這座「大科學裝置」，必須事先經過嚴格的對接與預約，並遵守分批入場、定點走動、全程佩戴安全裝備的規定。

它一般不對外開放，並非故作神秘，而是因為其內部運行着直徑35.4米的巨型有機玻璃球，以及約四萬五千支極度靈敏的光電倍增管。任何未經協調的活動，都可能干擾探測器的極低本底環境，影響對「幽靈粒子」中微子的捕捉。

源自大爆炸及超新星爆發

中微子最近「火了」，原因之一是諾貝爾物理學獎表彰了利用南極「冰立方」探測器捕捉來自宇宙深處高能中微子的研究。這讓大家意識到，這種幾乎不與物質反應的「幽靈粒子」，能穿透連光都無法逃離的極端天體環境，成為人類窺探黑洞、超新星核心等宇宙奧秘的希望。中微子是構成物質世界的十二種基本粒子（費米子）中的三種，不帶電，質量極小（上限小於電子的百萬分之一），以接近光速運動。它們只參與極微弱的弱相互作用，穿透力極強，可輕鬆穿過人體乃至整個地球而不被吸收。每秒有億萬個中微子穿過我們身體，我們卻渾然不覺。它們大多來自宇宙大爆炸的殘留，也誕生於太陽核聚變與超新星爆發，因此被稱為宇宙的「幽靈粒子」。

進洞之前，工作人員帶領學生們通過簡單的遊戲，了解這個探測器的建設原理。師生們乘坐專用纜車，沿着長達1,266米的斜井隧道緩緩下行，約十五分鐘後，地面的聲響與光線被徹底留在身後。纜車是科研人員每天上下的「列車」，這條隧道連結的正是他們與地面世界之間的日常。

抵達地下實驗大廳的一刻，空間的尺度令人失語。師生們平日在新聞中讀到的「大國重器」，此刻化為具體的壓迫感與敬畏感。

真正讓這場參觀沉澱下來的，是講解中的細節。科學家在這裏所付出的，遠不止知識，更是以年為單位的生活選擇與體力消耗。江門中微子實驗從提出設想到建成運行，走過了17年的漫長歷程。團隊要在地下巨大的岩層中開挖洞室，要研製出世界上最大的單體有機玻璃球，要讓兩萬噸液體閃爍體達到極致的純淨度；任何一項技術難關的背後，都是無數次失敗與重來。

實驗旨在測定中微子間質量順序

而這一切艱辛所指向的，是一個聽起來近乎哲學的問題：宇宙是怎樣運行的？中微子是宇宙中最古老、數量最多的粒子之一，每立方厘米空間中大約瀰漫着300個宇宙大爆炸的殘留中微子，它們以接近光速穿過地球與人體，卻幾乎不與任何物質發生反應。江門中微子實驗的首要科學目標，正是測定三種中微子之間的質量順序——哪一種最輕，哪一種最重。

這個看似微小的參數，卻影響着宇宙的演化進程，也為理解物質為何存在、反物質為何如此稀少等根本問題鋪路。科學家們之所以要將探測器深埋地下，正是因為七百米的花崗岩層能夠有效屏蔽地面上強烈的宇宙射線干擾，讓探測器得以在「安靜」的環境中，等待中微子那極其罕見的微弱閃光。

對於師生而言，這趟參觀的終點，或許不是看懂了中微子物理，而是看見了一種科學生活的真實質地。宇宙的奧秘不會因為一次參觀就被解開，但地底七百米深處那些沉默的裝置、那些願意將青春交付給一顆「難以捉摸」粒子的研究者，讓抽象的「科學精神」有了可觸碰的輪廓。

●洪文正 香港新興科技教育協會培育科普人才，提高各界對科技創意應用的認識，為香港青年提供更多機會參與國際性及大中華地區的科技創意活動，詳情可瀏覽www.hknetea.org