物理学家为什么想要在月球上建造粒子对撞机？

美国国家航空航天局（NASA）最近启动了“商业月球有效载荷服务计划”（CLPS），其目的是寻找未来能送到月球表面的最佳有效载荷，包括用于基础科学调查的仪器等。这里显示的是洛克希德·马丁公司的商用月球着陆器概念图

因此，有物理学家提出，如果我们跳过这些，直接在月球上进行粒子物理实验会怎么样？今年早些时候发表在预印本数据库arXiv上的一篇论文认为，月球实际上是一个很适合进行高能物理研究的场所。

首先，月球很冷，温度可以非常低。那里没有大气和水，因此就没有介质把阳光的热量从一个地方传输到另一个地方。夜间，当太阳落到月球的地平线以下时，温度会降到零下73摄氏度——在地球上典型的低温实验设置范围内。白天，月球温度会升高一些，达到38摄氏度以上。但是，正如月球陨石坑的阴影中也隐藏着水冰，在月球上，你只需要一点点阴凉就可以让自己冷却下来；在没有空气和水的条件下，没有阳光直射的地方就是寒冷的。

物理学家需要这样的低温是有原因的。在粒子加速器中，低温确保了超导磁体不会自行熔化。超导磁体的作用在于将粒子抛入加速器，使其达到接近光速的速度。其次，探测器的温度越高，从亚原子粒子中筛选出微小信号时所要处理的噪音就越大——更多的热量相当于更多的分子振动，也就等于更多的噪音。

除了寒冷的温度，月球没有大气层的事实也是一个重要优势。在地球上，物理学家必须把加速器和探测器里的空气全部抽出来，因为在实验开始之前，你可不希望接近光速的粒子撞向一个四处游荡的氮分子。月球的真空环境比物理学家在实验室中制造的任何条件都要好10倍以上，而且是自然而然的，不需要任何努力。

最后，由于潮汐锁定，月球的自转周期与其绕地球旋转的时间相同，因此月球始终保持同一面指向地球。这意味着月球的粒子束指向地球上的探测实验室，不需要非常辛苦地调整设置就能发挥长距离的优势。

月球中微子工厂

对于月球上的物理实验，最有前景的用途或许就是作为中微子的来源。中微子是一种幽灵般微小粒子，没有电荷，也几乎没有质量。这使得它们能够穿过正常的物质而几乎不被察觉——每时每刻，数以千亿计的中微子正在穿过你的身体，而你什么也感觉不到。

由于这种特点，中微子很难被研究和理解。这种粒子是在核反应中大量产生的，因此我们可以在月球上建一座核电站，由此产生的中微子会迅速飞向地球，而地球上的物理学家就可以将它们收集起来进行研究。

中微子一个恼人而神秘的特性是，它们能够在飞行时改变类型（用物理学术语来说就是改变“味”，中微子的三种“味”分别是电中微子、μ中微子和τ中微子）。通过远距离分离中微子的产生和探测，我们让更多的中微子有了改变“味”的机会，从而更好地理解这种行为。月球可以作为一个完美的中微子来源：它离我们足够远，可以进行远距离分离，但同时又足够近，可以捕获足够多的中微子来进行实际研究（如果出现什么问题的话，也可以排除设备故障）。

谁还需要地球呢？

如果能够在月球上建立物理实验装置，那我们还可以向地球发射中微子以外的其他物体，比如宇宙射线。即使是目前最强大的粒子对撞机，也达不到自然产生并发射宇宙射线的能量（如果估计准确的话，我们甚至无法接近这些能量的十亿分之一）。每时每刻，都有大量来自外太空的高能亚原子粒子呼啸着进入地球的大气层，撞击气体分子，并在到达地面之前释放出大量的粒子副产物。

宇宙射线来自于宇宙中能量最强的一些源（比如超新星），但人们对它们的了解还很有限。物理学家们正在畅想一种真正可以利用的装置——宇宙射线枪。我们可以在其他地方制造出这些高能粒子，然后将它们发射到地球的大气层中，这样就可以进行研究。将这个装置放在月球怎么样？通过在月球上产生大量的高能粒子，再将它们射向地球大气层，可以让我们在地面上观察由此产生的效应，从而更好地了解宇宙的高能一面。

但是，为什么要止步于此呢？为什么不将探测器也放在月球上？在月球上设置一个完整的粒子物理实验，包括发射源、加速器和探测器等，都比地球上的同类系统更有优势。在地球上，物理学家面临的首要瓶颈就是如何获得高度控制的真空，地球上的实验也因此变得相对紧凑。但在月球上，你可以免费获得真空。这种真空比在粒子对撞机实验中使用的真空效果更好。物理学家可以将实验设备建设成想要的大小，而不用担心在气泵上的投资。这是一个巨大的优势。

当然，登上月球并在月球上建造复杂的实验装置可能会遇到不小的技术挑战，但一旦这个问题得到解决，物理学或许将迎来巨大的突破。