中微子可能以快于光速的速度运动，也可能不会，但无论如何，它们都是特别的小东西。它们以极快的速度穿过地球、穿过你，穿过万物；但由于它们不带电且极其微小，它们与周围环境的相互作用非常微弱，以至于其他粒子几乎注意不到它们。
这些亚原子粒子如此微小且几乎不受干扰，以至于几乎不可能被看到，但它们却源自宇宙中最具暴力和破坏性的过程。来自深空的带电中微子，被称为天体物理中微子，逃离宇宙中最强大地方的黑暗中心——伽马射线暴、blazars和类星体，以及星系中心的黑洞。它们可以作为来自这些动荡之地的宇宙信使，但首先我们必须找到它们，而这极其困难。因此，欧洲科学家们正计划建造人类有史以来第二大的建筑，仅仅是为了寻找它们。
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中微子探测器KM3NeT将坐落在3200英尺（约975米）深的地中海水下，凝视海底，试图探测穿过地球的中微子。这个探测器占地三立方千米，还将成为世界上最繁忙水域之一的新海洋学观测站，帮助生物学家监听鲸鱼并研究发光生物。国家核物理研究所的物理学家Giorgio Riccobene说，这将是人类建造的仅次于中国长城的最大建筑。“问题是没人能看到它，”他笑着说。
Riccobene说，目标是寻找源自宇宙灾难的天体物理中微子。它们可能有助于解释宇宙射线的起源，即来自未知源的质子流倾泻到地球上。为了穿过我们银河系、太阳和地球本身提供的磁场，这些宇宙射线必须极其强大，但宇宙射线不像光那样能追溯到它们的来源。中微子可以帮助重建它们的路径。
Riccobene说：“在这些能量下，唯一能来自遥远源头的高能粒子就是中微子。所以通过观察它们，我们可以探测遥远而暴力的宇宙。”
实现这一目标所需的巨大探测器是一个泛欧洲项目，包括来自10个国家（从英国到罗马尼亚）的40个研究所或大学团体。11月24日，意大利研究部批准了2080万欧元（2770万美元）用于该探测器的第一部分，该部分包括30座配备37,200个光电倍增管模块的水下塔。这些小小的数字相机将捕捉到预示中微子到达的标志性闪光。
中微子的本质
公众可能直到今年秋天，一组独立的意大利物理学家提出的、至今仍有争议的超光速理论引起新闻报道之前，大多数人可能从未听说过“中微子”这个词。OPERA实验中观测到的所谓的超速中微子，是由质子束产生的，并从日内瓦传送到意大利格兰萨索山（位于一个物理实验室之上）的阿尔卑斯山下。在该实验中，中微子被监测以寻找振荡的迹象，这是使中微子有趣的许多奇异行为之一。（超光速的发现是，并且仍然是一个巨大的意外。）
通过观察地球上的中微子，物理学家可以探测遥远而暴力的宇宙。中微子在某些类型的放射性衰变中形成，包括在太阳中、核反应堆中，以及宇宙射线与其他物体碰撞时。根据粒子的标准模型，有三种类型，称为“味”：电子中微子、陶中微子和缪子中微子。中微子可以在这三种“味”之间转换，这种奇怪的现象在日本和美国被用来研究宇宙为什么是由物质而非虚无构成的。
它们是中性的——因此得名，这个词是由恩里科·费米（Enrico Fermi）创造的，在意大利语中意为“小中性粒子”——这意味着它们几乎可以不受阻碍地穿过现实世界的其他部分。以下是一个例子，由麻省理工学院的粒子物理学家Peter Fisher提供：用一束高能电子穿过一块三厘米厚的金属，它将与其他金属原子中的粒子相互作用。它将在这些碰撞中损失大量能量，产生其他可以被探测到的亚原子粒子。
Fisher说：“对于具有相同能量的中微子，你需要大约一光年的重金属，因为中微子的相互作用强度要小得多。任何时候你探测到一个粒子，你总是在让这个粒子与某种物质相互作用，无论是水、钢、空气还是冰。粒子相互作用得越少，你需要它相互作用的物质就越多。”
KM3NeT将利用海洋，而不是一光年大小的金属块。它的工作原理如下：在宇宙的某个地方，宇宙中最强大的力量之一将亚原子粒子分解成它们的组成部分，产生超高能中微子。碰巧，这些粒子中的一些可能会穿过我们的星系并到达地球，在那里它们可能会引发带电粒子的反应。Riccobene解释说，这就像一场台球比赛。
他说：“中微子是击碎‘城堡’的一击，‘城堡’是构成原子核的台球群。当它击碎这个‘城堡’时，有可能产生一个出射粒子。”如果这个粒子是缪子——一个带电的亚原子粒子，比电子大得多——那将是好消息。缪子的形成会辐射出蓝色光锥，称为切伦科夫辐射。如果物理学家幸运的话，这个闪光会发生在清晰而深邃的介质中，比如南极的冰层或地中海深处。
Riccobene说：“这是我们寻找的光，用于重建缪子的轨迹。所以从这个意义上说，它是一个水下望远镜。水让我们能更清晰地看到反应。”
通过向下穿过地球，探测器将最大程度地降低探测到偶然的大气中微子的概率。除了作为探测介质外，数千英尺的海水还充当了二次粒子屏蔽。
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这项实现光观测的技术，不出所料，相当复杂。探测蓝色闪光的光学传感器被称为光电倍增管，每一个都能记录单个光子产生的电子信号。在之前的探测器中，包括IceCube和Antares、AMANDA等前身，光电倍增管是单维度的，安装在弦上。KM3NeT将把它们放入球形耐压容器中，称为数字光学模块（DOM），然后将它们安装在水下塔上。
Riccobene说：“这将提高分辨率和跟踪能力。单个大面积的光电倍增管会丢失入射方向信息，但使用多个小尺寸的光电倍增管，你就可以知道方向。”
塔网络仍有几种可能的配置，但整个系统将覆盖数立方千米的体积，这就解释了KM3NeT这个名字的由来，意为千米立方中微子望远镜。这些塔本身将超过800米（2624英尺）高——目前，在仍在规划阶段，它们的高度将超过迪拜2723英尺（约830米）的哈利法塔。
光学模块将被设计成能够承受六个大气压力的压力，大约相当于海面以下20,000英尺（约6000米）的深度。每个17英寸（约43厘米）的球体将容纳31个3英寸（约7.6厘米）的光电倍增管，每个都围绕着一个集光环，以进一步增加光收集面积。DOM还将包含校准传感器，如声学压电传感器、指南针和倾角仪以及纳米信标。
它们将安装在20英尺（约6米）长的杆上，每40根杆连接到一个检测单元。Riccobene说，探测器将看起来像一系列海底塔。每立方千米的水中将有大约100个单元。整个网络通过中央不锈钢管连接，其中包含光纤，将探测器与几英里外的岸基站连接起来。
KM3NeT的设计比IceCube更敏感，至少在探测大气中微子的能力方面，这是物理学家可以实际测试的。但就天体物理中微子而言，没有人知道它的分辨率会如何。
Riccobene说：“没有人见过它们。我们预计每秒可以探测到大约3000个大气缪子，但对于天体物理缪子，这仍然是一个猜测。”
Riccobene说，光电倍增管模块已经开始建造，并且其中一些已经在各种测试阶段部署，同时工程师们继续进行规划。目前，探测器的最终设计仍不确定，因为来自几个欧洲研究机构的资金也存在不确定性。有几种选择，包括这个比IceCube大五倍的巨大探测器，或者将其分成三个位于不同地点的探测器。KM3NeT甚至可以与现有的探测器合作，包括一个名为Antares的较小的欧洲探测器。
这是迄今为止最大的，但KM3NeT也只是超级大型和超级灵敏探测器长系列中的最新一个。IceCube探测器是它最接近的“亲戚”，不到一年前才完工，而它以全部观测能力运行的第一年数据还要六个月才能公布。马里兰大学物理学系教授兼副主任、IceCube发言人Greg Sullivan说，研究人员已经看到了大量来自地球上方的大气中微子，但还没有看到任何天体物理中微子——至少目前还没有。
他说：“我们已经设定了一些有趣的限制，并开始排除一些模型。理论家们还没有确定的参数。”
Sullivan说，IceCube和KM3NeT在很多方面都很相似——它们都利用地球作为过滤器来阻挡背景辐射并寻找中微子，而且它们都使用深层、致密的介质来寻找切伦科夫光。但它们观测天空的不同区域——IceCube观测北半球天空，而KM3NeT观测南半球天空，碰巧是从这个星球上看银河系中心的方向。Sullivan说，IceCube的体积也小得多，一个立方千米对比KM3NeT的三个。
他说：“建造大型中微子望远镜的想法已经有几十年的历史了，（物理学家）一直认为在深水中建造是最容易的。由于现有的基础设施，事实证明在南极建造相对便宜且有效。”
当你寻找像中微子这样的东西时，你需要尽可能大的空间体积。但当你寻找通量如此低的东西时，你需要尽可能大的体积，所以IceCube可能不够大。Riccobene说，当KM3NeT首次设想时，物理学家们考虑建造另一个与IceCube大小相同的观测站，但早期（或缺乏）的结果促使他们将其做得更大。他说，KM3NeT的威力将是IceCube的两到三倍。
然而，并非所有人都同意这是正确的策略。MIT的Fisher质疑，在物理学家开始考虑其他原因来解释他们为何找不到天体物理中微子之前，多大的规模才算够大。
他说：“物理学界有一部分人认为，这些粒子的能量比我们希望在加速器中产生的还要高，这是事实。它们可能告诉我们关于宇宙的不同信息，这也是事实。但这一切都是‘可能’。我还没有看到任何这些实验告诉我们任何新的东西。我的看法是，如果你看到了什么，如果在大型强子对撞机上产生了某种有趣的新粒子，并且你知道它的一些特性，那么你就知道该寻找什么以及该建造什么样的探测器。但仅仅建造越来越大的东西到目前为止还没有奏效。”
KM3NeT的合作者仍在开发将提高他们几率的算法，包括模式识别过程和光学模块的错误率。
复杂的物理学驱动新的合作
至少，在试图理解超强亚原子粒子之间复杂的相互作用时，这些巨大的天文台也为其他科学家带来了一些额外的好处。Riccobene说，为了更好地了解他们的探测器——海洋——KM3NeT的科学家们正在与海洋学家合作。
他说：“海洋是我们的探测器，我们必须了解我们的探测器是如何工作的。主要问题之一是细菌产生的深海荧光，这可能会影响我们的光电倍增管。我们需要一位生物学家来说明预期的范围，与洋流的相关性等等。另一方面，这是非常灵敏的仪器，这些光电倍增管可以帮助他们发现深海中的新事物。”
光学模块还将配备水听器，海洋学家可以利用它们来监听鲸鱼的歌声。
Sullivan说，IceCube团队一直在与研究冰芯的研究人员合作。嵌入南极冰层中的尘埃颗粒可以提供10万年的火山活动记录，这些岩芯样本对于冰川学家以及物理学家来说都非常有用，后者钻取它们是为了插入一些相机。
KM3NeT财团去年冬天发布了一份重要的技术报告，详细介绍了探测器配置的选项，并且大部分技术障碍已经解决。目前，建造这个巨大的结构是一个资金和欧洲地缘政治问题。例如，一位主要的合作者来自希腊，而希腊深受全球金融危机的影响。Riccobene说，仍有几种选择，他相信该项目将继续前进。随着意大利部分资金到位，初步建设可能在明年某个时候开始。
如果KM3NeT能够实现其计划的能量分辨率，从几百吉电子伏到大约几十亿太电子伏，那么将有大量的东西可供研究。在这些能量范围内，物理学家们或许可以寻找单极子或暗物质候选者等奇异粒子。但主要目标仍然是天体物理中微子，它们是宇宙中最常见——但又是一些最独特的——粒子。
