阿蒙森·斯科特南極站的科學(xué)家們察看一架粒子探測傳感器，它是冰立方中微子天文臺上的部分裝置
為了探索宇宙，人類(lèi)建造了各式各樣的望遠鏡。為了能夠接收到盡量清晰的信號，這些望遠鏡大多被建設在遠離城市光線(xiàn)和電磁波干擾的地方，也有一些太空望遠鏡被發(fā)射到地球軌道上，突破了地球大氣層的阻礙，因此可以對宇宙進(jìn)行更精確的探測。人類(lèi)之所以要想盡辦法建造各種靈敏的望遠鏡，就因為由光子構成的電磁波很容易和宇宙中的其他粒子發(fā)生相互作用，從而失去了它們自身所攜帶的信息，也就失去了它們的科學(xué)價(jià)值。
最近，另一種獨特的望遠鏡吸引了全世界物理學(xué)家的關(guān)注，這種望遠鏡并沒(méi)有被發(fā)射到太空中去，甚至不是在地球的表面，而是被深深埋在南極的冰層之下。之所以會(huì )有這樣奇特的望遠鏡，是因為它所探測的目標與普通望遠鏡完全不同，它的目標粒子不容易與宇宙中的其他粒子發(fā)生相互作用，相反，為了只接收到這種特殊粒子的信號而不受其他粒子的干擾，這個(gè)望遠鏡被深埋在地下。這個(gè)望遠鏡的結構相對來(lái)說(shuō)也很簡(jiǎn)單：最主要的部分就是1立方公里的冰塊，粒子物理學(xué)家們正是希望通過(guò)這些冰塊探測一種幽靈般的粒子。物理學(xué)家們正為這個(gè)望遠鏡最近取得的最新探測成果感到激動(dòng)，希望它可以開(kāi)拓出一片嶄新的宇宙學(xué)研究領(lǐng)域。
這個(gè)位于南極冰層下的望遠鏡的正式名字叫作“冰塊中微子觀(guān)測臺”（Ice Cube Neutrino Observatory），主要由美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家負責。正如它的名字所說(shuō)，這個(gè)特殊的望遠鏡并不是為了探測常見(jiàn)的電磁波信號，而是為了探測有極高能量的中微子而建。中微子是一種不帶電的基本粒子，它的質(zhì)量極小，還不到電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一，甚至小到物理學(xué)家們至今都沒(méi)有測出詳細數值，因此它們可以在宇宙中以接近光速的速度運行。中微子還有另一個(gè)特別重要的特點(diǎn)：除了受到重力作用外，它不參與粒子之間的電磁相互作用和強相互作用，只在極少數情況下與其他粒子相撞，發(fā)生弱相互作用。正因為如此，中微子不僅無(wú)法被“看到”，也無(wú)法通過(guò)常規的手段檢測到，它可以隨意穿行于宇宙，每一秒鐘都會(huì )有幾百億的中微子穿過(guò)我們的身體而不被我們所感知。
中微子之所以吸引了粒子物理學(xué)家和宇宙學(xué)家們的注意，是因為它們可能具有極高的能量，而如此之高的能量來(lái)源至今仍然是一個(gè)謎。一些來(lái)自宇宙深處的中微子所具有的能量甚至能夠達到在地球上大型重子對撞機（LHC）所產(chǎn)生的質(zhì)子能量的5到50倍，而這種具有極高能量的中微子只可能來(lái)自宇宙中某些神秘的超級粒子加速器，因此，探測這些極高能量中微子的來(lái)源，就等于在探測這些神秘的宇宙現象，這吸引了很多人的興趣。
正因為中微子這種不輕易與其他粒子發(fā)生相互作用的特性，使它有可能成為一種獨特的天文學(xué)觀(guān)測手段。在1987年的一次超新星爆發(fā)過(guò)程中，爆發(fā)中產(chǎn)生的中微子就比在同一個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的光早了三小時(shí)到達地球，因為光子在超新星的爆發(fā)過(guò)程中會(huì )被反復發(fā)射和吸收，因此在逃脫爆發(fā)中心過(guò)程中速度相對緩慢，而中微子則不受這些干擾，這讓當時(shí)的天文學(xué)家意識到中微子可能是一種有效的天文學(xué)觀(guān)測手段。而現在所觀(guān)測到的中微子的能量是1987年觀(guān)測到超新星爆發(fā)中所產(chǎn)生的中微子能量的上百萬(wàn)倍，究竟是什么天文學(xué)現象產(chǎn)生出這些中微子，宇宙學(xué)家對此產(chǎn)生了極大的興趣。
絕大多數穿過(guò)地球的中微子都來(lái)自于太陽(yáng)，另外還有很大一部分中微子則是宇宙射線(xiàn)與地球大氣層相撞所產(chǎn)生的副產(chǎn)品，但是這些來(lái)自太陽(yáng)系內部的中微子能量都比較低，宇宙學(xué)家們更關(guān)心的，是那些來(lái)自太陽(yáng)系之外具有極高能量的中微子。這些具有極高能量的中微子，有可能在極為罕見(jiàn)的情況下與原子核中的夸克或是原子核外部的電子發(fā)生相互作用。正因為發(fā)生這種相互作用的概率極低，所以中微子探測器的體積必然會(huì )極為龐大。曾經(jīng)就有研究者利用海水充當中微子探測器，也有很多物理學(xué)家們在20多年前就開(kāi)始設想利用南極的冰層探測中微子，經(jīng)過(guò)7年的建造，IceCube中微子觀(guān)測臺終于在2010年修建成功（建造這個(gè)觀(guān)測臺的主要工具是熱水）。
中微子與冰塊探測器中的原子核相碰撞時(shí)會(huì )產(chǎn)生出眾多的亞原子粒子，這些碰撞產(chǎn)生出的粒子在冰塊中以接近真空中光速的速度運動(dòng)，而這個(gè)速度可能會(huì )超過(guò)光在冰塊中的傳播速度，這個(gè)過(guò)程與空氣中的音爆現象相似，被稱(chēng)為“切連科夫輻射”（Cherenkov Radiation），會(huì )發(fā)出藍色的光。這種極為微弱的藍光可以穿透幾米的冰層，有可能被感光器件所探測到，作為觀(guān)測到中微子的證據。因此，沒(méi)有氣泡的透明冰塊就成了探測中微子的最佳材料。因為被深埋在地下，其他絕大多數粒子都無(wú)法透過(guò)地面擊中冰塊，只有中微子和Muon粒子有可能到達冰塊探測器，而絕大多數Muon粒子會(huì )在冰塊表層被探測到，只有具有極高能量的中微子才有可能到達冰塊探測器的內部，因此科學(xué)家們才在南極冰層下建造了這個(gè)世界上最大的粒子探測器。
為了探測到中微子與冰塊探測器中的原子核相碰撞產(chǎn)生的藍光，科學(xué)家們需要在冰塊中鉆孔，放入極為靈敏的感光器件。在冰塊中微子觀(guān)測臺的各處，建造者們用了86根鋼纜在冰塊中放置了5160個(gè)非常靈敏的被稱(chēng)為“Phototube”的感光探測器，目前有來(lái)自11個(gè)國家的260名科學(xué)家在這里通過(guò)觀(guān)測感光探測器進(jìn)行工作。
從2010年5月到2012年5月之間，冰塊中微子觀(guān)測臺已經(jīng)觀(guān)測到了28個(gè)在50TeV以上的具有極高能量的中微子信號，其中有兩個(gè)中微子的能量超過(guò)了1000TeV，這個(gè)能量比一只在空中飛行的蒼蠅的動(dòng)能還要高！一個(gè)質(zhì)量微乎其微的粒子卻具有如此高的能量，這說(shuō)明它出自宇宙中某個(gè)極為特殊的目前還不為人所知的事件。激動(dòng)的物理學(xué)家們甚至給這兩個(gè)最高能量的中微子起名為“Bert”和“Ernie”（這是美國一個(gè)兒童節目中兩個(gè)布偶人物的名字）。
為了描述兩年來(lái)觀(guān)測到的超高能量的中微子信號，冰塊合作項目的研究者們撰寫(xiě)了論文《冰塊探測器發(fā)現的地球外高能量中微子的證據》（Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinosat the Ice Cube Detector），在2013年11月22日作為封面文章發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，這篇論文迅速吸引了全世界的關(guān)注。有物理學(xué)家認為，冰塊中微子觀(guān)測臺的使用，標志著(zhù)人類(lèi)開(kāi)啟了一門(mén)新的學(xué)科——中微子天文學(xué)，也就是說(shuō)，人類(lèi)通過(guò)觀(guān)測來(lái)自太陽(yáng)系外的中微子的情況來(lái)判斷在宇宙中發(fā)生的事件。
想要通過(guò)觀(guān)測中微子來(lái)了解宇宙，這并不是一件容易的事，目前人們通過(guò)觀(guān)測到的高能量中微子現象，只能大概了解中微子來(lái)源的方向和碰撞能量。之后，還需要通過(guò)其他手段觀(guān)測中微子來(lái)源的方向，希望能觀(guān)察到一些少見(jiàn)的極端天文學(xué)現象，例如超新星爆發(fā)、黑洞、脈沖星，或是活躍的星系核作為粒子加速器，放射出大量的高能量中微子，但是目前宇宙學(xué)家們還未能如愿以?xún)?，這可能是因為目前人們對于中微子的方向和能量判斷的精度都還比較低。盡管這種新手段還顯得有些幼稚且笨拙，但是我們仍然難免對它寄予厚望，沒(méi)有人知道它會(huì )以怎樣的方式為我們揭開(kāi)宇宙中更深的秘密。
（本文寫(xiě)作參考了《科學(xué)》雜志和IceCube合作項目的相關(guān)報道）
聯(lián)系客服
