據美國《連線(xiàn)》雜志報道，經(jīng)過(guò)長(cháng)達10年的鉆洞作業(yè)，鉆入南極冰層下方超過(guò)1英里(約合1.6公里)的深度，位于南極冰層下巨型中微子望遠鏡“冰立方”建造工作宣告結束。“冰立方”由三維傳感器陣列構成，能夠探測黑洞、超新星和恒星等宇宙天體釋放出的中微子，是迄今最大的粒子探測器。
中微子的質(zhì)量幾乎為零，能夠在不發(fā)生任何反應的情況下穿過(guò)物質(zhì)，例如太陽(yáng)和地球。它們經(jīng)常猛烈撞擊原子核心，形成“核粒子雨”。這一過(guò)程會(huì )釋放出暗藍色光痕跡，冰立方的5160個(gè)傳感器能夠對其進(jìn)行追蹤并具有極高的精確性。
冰立方項目負責人、美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校理論物理學(xué)家弗朗西斯·赫爾澤表示：“大約有一百萬(wàn)分之一的中微子闖入質(zhì)子。我們正對這種核反應釋放的能量和方向進(jìn)行測量，用以繪制出一幅基于中微子的太空地圖。”據赫爾澤介紹，這項中微子探測項目耗資1億美元，是工程師和物理學(xué)家迄今為止嘗試過(guò)的最富有挑戰性的工作之一。他說(shuō)：“任何人都無(wú)法保證這一項目一定會(huì )取得成功。如果我們提前就知道建造過(guò)程的復雜性，我們也許從一開(kāi)始就選擇放棄。”
鉆機
盤(pán)管加熱元件
增強型熱水鉆機
工程人員為冰立方鉆一個(gè)洞大約需要兩天時(shí)間，洞寬1.6英尺(約合48厘米)，深1.5英里(約合2.41公里)。首先，他們利用盤(pán)管加熱元件融化250英尺(約合76米)厚的積雪。為了鉆透硬如巖石的冰層并向下鉆1英里多的深度，他們使用了增強型熱水鉆機。冰冷的融水會(huì )流向地面，重新加熱后再流回鉆機。
冰管
冰管
傳感器
技術(shù)人員將一串60個(gè)光敏模塊下降到1.5英里深的冰管底部的水中。凍結之后，光敏模塊將永遠留在那里。傳感器負責將數據傳回地面處理中心。
傳感器
5160個(gè)數字光學(xué)模塊中的最后一個(gè)
一套電子元件
5160個(gè)數字光學(xué)模塊中的最后一個(gè)，正等待被放入南極冰層的鉆洞中。每一個(gè)數字光學(xué)模塊的下半部分裝有一個(gè)光電倍增管，用于探測切倫科夫輻射發(fā)出的藍光。藍光由粒子以超光速穿過(guò)物質(zhì)所致，同樣的效應導致核反應堆堆芯中的水發(fā)出藍光。一套電子元件負責將模擬信號轉換成高通量數字信號，玻璃罩則負責保護模塊免遭冰下的巨大壓力破壞。
計算能力
座落于86個(gè)冰管上方的一個(gè)計算中心
冰管內裝有大量傳感器
座落于86個(gè)冰管上方的一個(gè)計算中心，冰管內裝有大量傳感器，負責處理所有冰立方數據。冰立方每天可探測到220次中微子活動(dòng)，計算機必須過(guò)濾掉1億個(gè)欺騙性信號，才能觀(guān)察到這些活動(dòng)。這些多余的活動(dòng)由高能粒子(并未中微子)轟擊地球大氣層所致。每次符合要求的中微子活動(dòng)的能量和方向都會(huì )被記錄下來(lái)，而后通過(guò)衛星傳給威斯康星大學(xué)麥迪遜分校。赫爾澤表示，最理想的數據往往來(lái)自于中微子穿過(guò)地球并從下方撞向冰層。
上世紀70年代至90年代初，物理學(xué)家認為在深海建造一個(gè)類(lèi)似冰立方這樣的中微子探測器所面臨的挑戰更小一些。據赫爾澤透露，經(jīng)過(guò)幾次關(guān)鍵性驗證——包括AMANDA(南極μ介子及中微子探測器列陣)實(shí)驗——他的同事放棄了選擇深海的想法。冰立方就是在A(yíng)MANDA實(shí)驗基礎上研制的。
他說(shuō)：“只有在深海建造類(lèi)似的探測器之后，我們才能進(jìn)行比較。目前，相關(guān)努力已在進(jìn)行之中，地點(diǎn)就選在地中海。有一點(diǎn)我希望說(shuō)明一下，我們能夠繼續自己的實(shí)驗。一旦部署完畢，探測器上方的計算中心便將開(kāi)始數據處理工作。”
天空圖
天空圖
在冰立方?jīng)]有完成建造前，科學(xué)家也能收集有關(guān)中微子的數據。這幅天空圖歷時(shí)兩年左右繪制，涵蓋了40組傳感器記錄下的中微子點(diǎn)源。赫爾澤表示，如果能夠像預想中的一樣正常運轉下去，冰立方可以服役20年左右，探測中微子。“一旦將這些傳感器放入冰中，你就再也沒(méi)有觸碰它們的可能。到目前為止，情況相當不錯。我們只損失了很少的傳感器。”
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