在南达科他州戴德伍德附近一座废弃金矿中，一项堪称世界上规模最大的科学实验已开始建设。我是约1,000名科学家组成的国际团队的一员，我们受邀设计并开展这项计划——深地中微子实验（DUNE）——以研究宇宙中数量最多却难以捉摸的物质粒子。
通过这项研究，我们或许能更接近理解物质的起源，并完善科学界关于宇宙运行方式的理论模型。这也是英国政府如今承诺为该项目提供6,500万英镑的原因，这使英国成为仅次于美国的第二大项目出资方。
像我这样的粒子物理学家对中微子着迷，因为它们具有不同寻常的性质，而这些性质可能与某些能够解释宇宙结构的现象直接相关。中微子是基本粒子之一，无法再分解成其他成分。它们无处不在，却极难捕捉，因为它们几乎没有质量、不带电荷，而且很少与其他粒子发生相互作用。
每秒约有1,000亿个中微子穿过我们的指尖，但几乎全都穿过地球，不留任何痕迹。这些中微子大多源自为太阳提供能量的核反应。中微子也来自撞击大气层的宇宙射线，或爆炸的恒星。宇宙诞生后不久，也曾大量产生中微子。
这意味着，通过研究中微子并将其与对应的“反中微子”进行比较，我们或许能够弄清宇宙初始阶段发生了什么，使宇宙主要由物质而非反物质构成。用于探测中微子的实验也能帮助我们查明质子是否会衰变；这将是证明一些科学家关于物理学中的大多数力都能用一种“大统一理论”来解释的关键证据。
为此，DUNE将从美国伊利诺伊州的费米国家加速器实验室发射中微子束，使其沿地下1,300公里的路径抵达南达科他州的桑福德地下研究设施。作为比较，用于发现希格斯玻色子的环形粒子加速器大型强子对撞机的周长仅为27公里，不过DUNE的粒子将穿过地层，而不是专门建造的隧道。
探测中微子
中微子分为三种类型，或称“三种味”：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。从费米实验室发出的中微子大多是μ子味，但它们在传播过程中可能会发生变化或“振荡”。探测这些振荡，将为有关中微子本质及其在宇宙中所起作用的问题提供明确答案。
当中微子与某些液体接触时，会产生粒子。通过记录这些粒子发出的光、电荷和粒子类型，我们便能探测中微子。每个中微子到达时，都会产生一种与其味相对应的粒子。例如，电子中微子会产生电子，而μ子中微子会产生μ子。如果我们能探测到电子，就能知道μ子中微子在传播过程中改变了味。
DUNE将使用四个大型储罐，每个储罐装有10,000吨、温度保持在-186℃的液态氩，以探测中微子，其精度远高于规模较小或使用满水储罐的以往实验。实验必须在地下约一英里处进行，以免探测器受到轰击地球的宇宙辐射干扰，误将其信号当成中微子信号。
这种方法带来的极高灵敏度，也有助于探测来自太空的中微子爆发。例如，1987年一颗邻近恒星爆炸（超新星）后，全球所有中微子探测器总共记录到25个中微子事件。若发生类似的超新星爆发，DUNE能够在约十秒内观测到数千次中微子散射。分析这类中微子脉冲的成分和时间结构，将彻底改变我们对超新星和中微子性质的认识。
破解反物质之谜
所有这些研究都应能帮助我们回答有关中微子的若干关键问题，例如它们的质量。中微子极其微小，因此它们的质量很可能并非像大多数其他基本粒子那样由希格斯玻色子产生；希格斯玻色子是最近发现的，由大型强子对撞机发现。相反，中微子的质量可能来自质量极大的伴随中微子；这些伴随中微子形成后会迅速衰变。
这些伴随中微子曾在宇宙早期演化中发挥关键作用，也可能有助于解释为何宇宙中的物质远多于反物质。DUNE还将帮助我们弄清中微子与其反物质对应粒子——反中微子——的行为是否完全相同，从而为物质占据主导地位提供更多证据。
由于探测器中的大量氩含有许多质子，DUNE也是寻找质子衰变的理想实验。根据我们目前描述所有基本粒子的物理学“标准模型”，质子不可能衰变。但科学家正在构建的许多大统一理论试图解释宇宙中的所有力（引力除外），这些理论都预测质子会衰变，只是速度极慢。
迄今为止，我们尚无质子衰变的证据；但如果它确实发生，DUNE应该能在液态氩中以毫米级精度探测并定位衰变。这有助于验证任何一种大统一理论是否正确，也可能再次为物质为何占据主导地位提供更多线索。
这笔新资金，加上全球科学家的共同努力，将使我们有望在2024年记录到DUNE的首批事件。这意味着在未来十年内，我们或许就能解开宇宙的一些最大谜团。
