他在32岁就蒸发 却留下了破解宇宙奥秘的线索

　　美国南达科他州的霍姆斯塔克金矿曾是整个最大、产量最高的金矿，在它上百年的历史中，人们采掘出了约125万千克的黄金。不过，现在让这里闻名世界的不是黄金，而是粒子物理。一个多世纪以来，人们对黄金的渴求矿道不断向地下深处延伸，使得霍姆斯塔克金矿也成了最深的金矿。在矿井深处，上千米厚的岩层成了极佳的天然屏障，帮助物理学家屏蔽掉宇宙射线，让粒子物理实验中那些微弱而又罕见的信号免受干扰。

　　美国物理学家雷蒙德戴维斯(Raymond Davis)很早就注意到了霍姆斯塔克金矿的绝佳条件，1965年，他在矿井内地下1478米处设立了实验装置，用380万升四氯乙烯来捕捉中微子。通过这个实验，他发现来自太阳的中微子比理论预言少了2/3(后来的研究证明，这是三种中微子互相变换的“中微子振荡”导致的)，并因此获得了2002年诺贝尔物理学。

　　2002年，霍姆斯塔克金矿停止了运营，但留下的矿道却可以创造出一座物理学的“金矿”。在接下来的几年中，桑福德地下研究所(Sanford Underground Research Facility)在这里建立起来，成为了美国最深的地下物理实验室。有多个实验项目选择了桑福德地下研究所，其中最著名的可能要数大型地下氙暗物质实验(LUX)，它计划利用液态氙来探测WIMP目前最被物理学家看好的暗物质粒子候选者。

　　与LUX同在地下1478米深处的，还有另一个雄心勃勃的实验项目，马约拉纳演示器(Majorana Demonstrator)。该实验所要寻找的是一种叫作“无中微子双衰变”的现象，如能有所斩获，那么按马普所的物理学家伯恩哈德施温根霍伊尔(Bernhard Schwingenheuer)的说法，“这将是一个重大突破，比发现希格斯粒子更重大。”

　　衰变是极为常见的现象，在放射性元素的原子核中，有时某个中子会出一个电子和一个反中微子，自己为质子，原子核也就变成了另外一种元素，这个过程就是衰变。还有些时候，由于某些条件的，原子核中必须有两个中子同时发生衰变，各自出一个电子和一个反中微子，变成两个质子，这就是双衰变。双衰变极为罕见，某些会发生这种衰变的放射性元素半衰期高达1020年，但物理学家还是成功地在实验中找到了这种现象。

　　此外，在理论上还可能存在另一种衰变方式：两个中子同时衰变，但只会出两个电子，变成两个质子，整个过程没有出现任何中微子。这种“无中微子双衰变”，只有当中微子是“马约拉纳粒子”的时候才可能出现。

　　马约拉纳粒子得名于最早提出它的意大利物理学家埃托雷马约拉纳(Ettore Majorana)。马约拉纳活跃于20世纪二三十年代，那个物理学风起云涌，群星闪耀的时代。即使是在那个物理学盛世中，他也是让人印象尤为深刻的一位物理学家，这不仅是因为他有着流传于世的学术成就，也因为他生平甚是奇特。

　　马约拉纳是一位极具个性的研究者，他虽然喜欢研究物理、探索自然之秘，却不喜欢发表论文。当居里夫人的女儿伊雷娜居里和弗雷德里克约里奥在实验室中发现一种疑似伽马射线的神秘粒子时，马约拉纳就指出，这应该不是光子，而是一种更重的中性粒子。当时他在著名物理学家恩里克费米的研究团队中，费米他就此写一篇论文，却被他了。之后詹姆斯查德威克这种粒子的确是新粒子，也就是中子，并因此获得了1935年诺贝尔物理学。

　　此后，马约拉纳继续着他对物理学的纯粹探索，他改写了描述费米子(费米子指的是电子、质子之类构成物质的粒子，与之相对的是玻色子，即光子、胶子等传递作用力的粒子)的狄拉克方程，在他的新方程中，粒子与其反粒子是完全相同的，也就是说，粒子的反粒子就是自己本身。这次，费米吸取了中子的教训，亲自撰写了一篇论文，以马约拉纳的名义在1937年发表于历史悠久的意大利物理学期刊Il Nuovo Cimento上，这才没有让马约拉纳的天才研究被埋没。

　　新方程描述的粒子被称为马约拉纳粒子。时至今日，物理学家并未发现真正的马约拉纳粒子，但很多人，包括马约拉纳本人都怀疑中微子就是这类粒子。若果然如此，那么两个中微子(或两个反中微子)相遇时，其实也就相当于正反中微子相遇，可以发生湮灭。这样,本应在中子的衰变过程中出来的两个反中微子就互相抵消、凭空消失了，使得双衰变成为了无中微子双衰变。

　　而在提出马约拉纳粒子后不久，马约拉纳本人也仿佛湮灭的粒子一样蒸发了。1938年3月，他登上了前往西西里首府巴勒莫的航船，从此神秘。虽然有显示他在目的地登岸了，却再也没有人见过他。有人认为他了，也有人相信他避世隐居，但无论哪种说法都没有可靠的。马约拉纳去向如何，成了物理学史上永远难解的谜。

　　马约拉纳粒子，成了这个天才留给世界的最后一份礼物。如能发现无中微子双衰变，证明中微子真的是一种马约拉纳粒子，那么物理学家就可能解开中微子质量之谜，甚至还有可能触及超出粒子物理标准模型的新物理学。

　　现在我们知道，中微子的质量不为零，但却很小，与电子差了五六个数量级。如果中微子的质量同其他粒子一样，源于与希格斯粒子的相互作用，那它的质量应该要大得多才对。有一种理论可以解释中微子质量为何如此之小，按照该理论，中微子必须是马约拉纳粒子。

　　标准模型有一个轻子数守恒定律，就是说正轻子个数减去负轻子个数得到的差值是保持不变的。(“轻子”指的是电子和中微子等粒子，与中子和质子这样的“重子”相对。)例如，在衰变中，衰变前只有一个中子，轻子数为0;衰变后成为质子0、电子1和反中微子-1，轻子数仍为0。但如果真的存在无中微子双衰变，反应前后的轻子数就由2个中子的0变成了2个电子的2，打破了轻子数守恒定律。这不仅意味着我们可能需要超出标准模型的新物理学(比如某些超对称模型就预言了轻子数守恒会被)，还有可能帮助我们搞清楚为何宇宙在诞生之后，正反物质会变得不平衡。

　　在桑福德地下研究所最底层的一间超净室中，马约拉纳演示器的29个单晶锗棒静静地矗立在零下196摄氏度的液氮中。这些富含同位素锗76的晶体是从俄罗斯运来的，为了尽量避免宇宙射线照射锗原子，生成可能带来干扰的放射性元素，这些重要货物一上不但不能乘飞机，连行车线的海拔高度都要小心。为了屏蔽外来辐射的干扰，研究者会在锗棒外面设置多层防护，最里面是两层五厘米厚的超铜，之后是45厘米厚的铅砖，用来伽马射线。再外面还有聚乙烯、塑料和氮气等组成的三层屏障，用来中子、宇宙射线子和放射性的氡。

　　一旦某个锗76原子发生了无中微子双衰变估计每1025年会有那么一次。出的两个电子将会让一连串原子电离，从而在晶体棒一端连接的电极中产生电流脉冲，让研究者可以探测到关乎中微子真实身份的宝贵信号。

　　正如其名字，马约拉纳演示器其实只是个演示装置，来证明该试验能有效地控制背景信号干扰。科学家计划在未来建造下一代实验装置使用了1吨重锗晶体的大型探测器。而除了马约拉纳演示器，还有多个寻找无中微子双衰变的项目，例如藏身于美国新墨西哥州一个废弃盐井中的EXO-200项目，正在监测200千克液态氙中发生的无中微子双衰变。意大利格兰萨索国家实验室的GERDA项目则与马约拉纳演示器合作组成了大型浓缩锗无中微子双衰变实验联盟，合作搜寻中微子即是马约拉纳粒子的。

　　事实上，中微子可能并非马约拉纳粒子的唯一候选者。例如，超对称理论认为，每个费米子都有一个对应的玻色子，反之亦然，那么光子的超对称伙伴粒子就应该是一种马约拉纳粒子。更完整的物理学可能还需要更多的马约拉纳粒子。

　　尽管马约拉纳短暂的学术生涯在1938年戛然而止，但他留下的理论，依然在物理学最前沿续写他的传奇。

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