物理學(xué)家為什么想要在月球上建造粒子對(duì)撞機(jī)？環(huán)境太適合

新浪科技訊 北京時(shí)間 6 月 11 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，隨著對(duì)宇宙運(yùn)作方式的探索越來越深入，粒子物理實(shí)驗(yàn)也變得越來越復(fù)雜。為了揭示最微小的亞原子粒子的奧秘，物理學(xué)家必須使對(duì)撞機(jī)和探測(cè)器的溫度盡可能低，并盡可能地去除多余空氣，使它們保持靜止，從而獲得可靠的結(jié)果。

▲美國國家航空航天局（NASA）最近啟動(dòng)了 “商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計(jì)劃”（CLPS），其目的是尋找未來能送到月球表面的最佳有效載荷，包括用于基礎(chǔ)科學(xué)調(diào)查的儀器等。這里顯示的是洛克希德 · 馬丁公司的商用月球著陸器概念圖

因此，有物理學(xué)家提出，如果我們跳過這些，直接在月球上進(jìn)行粒子物理實(shí)驗(yàn)會(huì)怎么樣？今年早些時(shí)候發(fā)表在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫 arXiv 上的一篇論文認(rèn)為，月球?qū)嶋H上是一個(gè)很適合進(jìn)行高能物理研究的場(chǎng)所。

首先，月球很冷，溫度可以非常低。那里沒有大氣和水，因此就沒有介質(zhì)把陽光的熱量從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方。夜間，當(dāng)太陽落到月球的地平線以下時(shí)，溫度會(huì)降到零下 73 攝氏度——在地球上典型的低溫實(shí)驗(yàn)設(shè)置范圍內(nèi)。白天，月球溫度會(huì)升高一些，達(dá)到 38 攝氏度以上。但是，正如月球隕石坑的陰影中也隱藏著水冰，在月球上，你只需要一點(diǎn)點(diǎn)陰涼就可以讓自己冷卻下來；在沒有空氣和水的條件下，沒有陽光直射的地方就是寒冷的。

物理學(xué)家需要這樣的低溫是有原因的。在粒子加速器中，低溫確保了超導(dǎo)磁體不會(huì)自行熔化。超導(dǎo)磁體的作用在于將粒子拋入加速器，使其達(dá)到接近光速的速度。其次，探測(cè)器的溫度越高，從亞原子粒子中篩選出微小信號(hào)時(shí)所要處理的噪音就越大——更多的熱量相當(dāng)于更多的分子振動(dòng)，也就等于更多的噪音。

除了寒冷的溫度，月球沒有大氣層的事實(shí)也是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。在地球上，物理學(xué)家必須把加速器和探測(cè)器里的空氣全部抽出來，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)開始之前，你可不希望接近光速的粒子撞向一個(gè)四處游蕩的氮分子。月球的真空環(huán)境比物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制造的任何條件都要好 10 倍以上，而且是自然而然的，不需要任何努力。

最后，由于潮汐鎖定，月球的自轉(zhuǎn)周期與其繞地球旋轉(zhuǎn)的時(shí)間相同，因此月球始終保持同一面指向地球。這意味著月球的粒子束指向地球上的探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，不需要非常辛苦地調(diào)整設(shè)置就能發(fā)揮長距離的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于月球上的物理實(shí)驗(yàn)，最有前景的用途或許就是作為中微子的來源。中微子是一種幽靈般微小粒子，沒有電荷，也幾乎沒有質(zhì)量。這使得它們能夠穿過正常的物質(zhì)而幾乎不被察覺——每時(shí)每刻，數(shù)以千億計(jì)的中微子正在穿過你的身體，而你什么也感覺不到。

由于這種特點(diǎn)，中微子很難被研究和理解。這種粒子是在核反應(yīng)中大量產(chǎn)生的，因此我們可以在月球上建一座核電站，由此產(chǎn)生的中微子會(huì)迅速飛向地球，而地球上的物理學(xué)家就可以將它們收集起來進(jìn)行研究。

中微子一個(gè)惱人而神秘的特性是，它們能夠在飛行時(shí)改變類型（用物理學(xué)術(shù)語來說就是改變 “味”，中微子的三種 “味”分別是電中微子、μ中微子和τ中微子）。通過遠(yuǎn)距離分離中微子的產(chǎn)生和探測(cè)，我們讓更多的中微子有了改變 “味”的機(jī)會(huì)，從而更好地理解這種行為。月球可以作為一個(gè)完美的中微子來源：它離我們足夠遠(yuǎn)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離分離，但同時(shí)又足夠近，可以捕獲足夠多的中微子來進(jìn)行實(shí)際研究（如果出現(xiàn)什么問題的話，也可以排除設(shè)備故障）。

如果能夠在月球上建立物理實(shí)驗(yàn)裝置，那我們還可以向地球發(fā)射中微子以外的其他物體，比如宇宙射線。即使是目前最強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)，也達(dá)不到自然產(chǎn)生并發(fā)射宇宙射線的能量（如果估計(jì)準(zhǔn)確的話，我們甚至無法接近這些能量的十億分之一）。每時(shí)每刻，都有大量來自外太空的高能亞原子粒子呼嘯著進(jìn)入地球的大氣層，撞擊氣體分子，并在到達(dá)地面之前釋放出大量的粒子副產(chǎn)物。

宇宙射線來自于宇宙中能量最強(qiáng)的一些源（比如超新星），但人們對(duì)它們的了解還很有限。物理學(xué)家們正在暢想一種真正可以利用的裝置——宇宙射線槍。我們可以在其他地方制造出這些高能粒子，然后將它們發(fā)射到地球的大氣層中，這樣就可以進(jìn)行研究。將這個(gè)裝置放在月球怎么樣？通過在月球上產(chǎn)生大量的高能粒子，再將它們射向地球大氣層，可以讓我們?cè)诘孛嫔嫌^察由此產(chǎn)生的效應(yīng)，從而更好地了解宇宙的高能一面。

但是，為什么要止步于此呢？為什么不將探測(cè)器也放在月球上？在月球上設(shè)置一個(gè)完整的粒子物理實(shí)驗(yàn)，包括發(fā)射源、加速器和探測(cè)器等，都比地球上的同類系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。在地球上，物理學(xué)家面臨的首要瓶頸就是如何獲得高度控制的真空，地球上的實(shí)驗(yàn)也因此變得相對(duì)緊湊。但在月球上，你可以免費(fèi)獲得真空。這種真空比在粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中使用的真空效果更好。物理學(xué)家可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)成想要的大小，而不用擔(dān)心在氣泵上的投資。這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，登上月球并在月球上建造復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置可能會(huì)遇到不小的技術(shù)挑戰(zhàn)，但一旦這個(gè)問題得到解決，物理學(xué)或許將迎來巨大的突破。