新浪科技訊 北京時間6月11日消息，據(jù)國外媒體報道，隨著對宇宙運作方式的探索越來越深入，粒子物理實驗也變得越來越復(fù)雜。為了揭示最微小的亞原子粒子的奧秘，物理學(xué)家必須使對撞機(jī)和探測器的溫度盡可能低，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）最近啟動了“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)計劃”（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)行粒子物理實驗會怎么樣？今年早些時候發(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上是一個很適合進(jìn)行高能物理研究的場所。
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地方傳輸?shù)搅硪粋€地方。夜間，當(dāng)太陽落到月球的地平線以下時，溫度會降到零下73攝氏度——在地球上典型的低溫實驗設(shè)置范圍內(nèi)。白天，月球溫度會升高一些，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，你只需要一點點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，探測器的溫度越高，從亞原子粒子中篩選出微小信號時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，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也是一個重要優(yōu)勢。在地球上，物理學(xué)家必須把加速器和探測器里的空氣全部抽出來，因為在實驗開始之前，你可不希望接近光速的粒子撞向一個四處游蕩的氮分子。月球的真空環(huán)境比物理學(xué)家在實驗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實驗室，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。
月球中微子工廠
對于月球上的物理實驗，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——每時每刻，數(shù)以千億計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，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。
中微子一個惱人而神秘的特性是，它們能夠在飛行時改變類型（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，我們讓更多的中微子有了改變“味”的機(jī)會，從而更好地理解這種行為。月球可以作為一個完美的中微子來源：它離我們足夠遠(yuǎn)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離分離，但同時又足夠近，可以捕獲足夠多的中微子來進(jìn)行實際研究（如果出現(xiàn)什么問題的話，也可以排除設(shè)備故障）。
誰還需要地球呢？
如果能夠在月球上建立物理實驗裝置，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。即使是目前最強大的粒子對撞機(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的一些源（比如超新星），但人們對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，可以讓我們在地面上觀察由此產(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？為什么不將探測器也放在月球上？在月球上設(shè)置一個完整的粒子物理實驗，包括發(fā)射源、加速器和探測器等，都比地球上的同類系統(tǒng)更有優(yōu)勢。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，地球上的實驗也因此變得相對緊湊。但在月球上，你可以免費獲得真空。這種真空比在粒子對撞機(jī)實驗中使用的真空效果更好。物理學(xué)家可以將實驗設(shè)備建設(shè)成想要的大小，而不用擔(dān)心在氣泵上的投資。這是一個巨大的優(yōu)勢。
當(dāng)然，登上月球并在月球上建造復(fù)雜的實驗裝置可能會遇到不小的技術(shù)挑戰(zhàn)，但一旦這個問題得到解決，物理學(xué)或許將迎來巨大的突破。
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