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冰层下的望远镜

2013-12-05 09:40 作者:苗千来源:三联生活周刊
这个望远镜的结构相对来说也很简单:最主要的部分就是1立方公里的冰块,粒子物理学家们正是希望通过这些冰块探测一种幽灵般的粒子。物理学家们正为这个望远镜最近取得的最新探测成果感到激动,希望它可以开拓出一片崭新的宇宙学研究领域。

阿蒙森·斯科特南极站的科学家们察看一架粒子探测传感器,它是冰立方中微子天文台上的部分装置

为了探索宇宙,人类建造了各式各样的望远镜。为了能够接收到尽量清晰的信号,这些望远镜大多被建设在远离城市光线和电磁波干扰的地方,也有一些太空望远镜被发射到地球轨道上,突破了地球大气层的阻碍,因此可以对宇宙进行更精确的探测。人类之所以要想尽办法建造各种灵敏的望远镜,就因为由光子构成的电磁波很容易和宇宙中的其他粒子发生相互作用,从而失去了它们自身所携带的信息,也就失去了它们的科学价值。

最近,另一种独特的望远镜吸引了全世界物理学家的关注,这种望远镜并没有被发射到太空中去,甚至不是在地球的表面,而是被深深埋在南极的冰层之下。之所以会有这样奇特的望远镜,是因为它所探测的目标与普通望远镜完全不同,它的目标粒子不容易与宇宙中的其他粒子发生相互作用,相反,为了只接收到这种特殊粒子的信号而不受其他粒子的干扰,这个望远镜被深埋在地下。这个望远镜的结构相对来说也很简单:最主要的部分就是1立方公里的冰块,粒子物理学家们正是希望通过这些冰块探测一种幽灵般的粒子。物理学家们正为这个望远镜最近取得的最新探测成果感到激动,希望它可以开拓出一片崭新的宇宙学研究领域。

这个位于南极冰层下的望远镜的正式名字叫作“冰块中微子观测台”(Ice Cube Neutrino Observatory),主要由美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家负责。正如它的名字所说,这个特殊的望远镜并不是为了探测常见的电磁波信号,而是为了探测有极高能量的中微子而建。中微子是一种不带电的基本粒子,它的质量极小,还不到电子质量的百万分之一,甚至小到物理学家们至今都没有测出详细数值,因此它们可以在宇宙中以接近光速的速度运行。中微子还有另一个特别重要的特点:除了受到重力作用外,它不参与粒子之间的电磁相互作用和强相互作用,只在极少数情况下与其他粒子相撞,发生弱相互作用。正因为如此,中微子不仅无法被“看到”,也无法通过常规的手段检测到,它可以随意穿行于宇宙,每一秒钟都会有几百亿的中微子穿过我们的身体而不被我们所感知。

中微子之所以吸引了粒子物理学家和宇宙学家们的注意,是因为它们可能具有极高的能量,而如此之高的能量来源至今仍然是一个谜。一些来自宇宙深处的中微子所具有的能量甚至能够达到在地球上大型重子对撞机(LHC)所产生的质子能量的5到50倍,而这种具有极高能量的中微子只可能来自宇宙中某些神秘的超级粒子加速器,因此,探测这些极高能量中微子的来源,就等于在探测这些神秘的宇宙现象,这吸引了很多人的兴趣。

正因为中微子这种不轻易与其他粒子发生相互作用的特性,使它有可能成为一种独特的天文学观测手段。在1987年的一次超新星爆发过程中,爆发中产生的中微子就比在同一个过程中产生的光早了三小时到达地球,因为光子在超新星的爆发过程中会被反复发射和吸收,因此在逃脱爆发中心过程中速度相对缓慢,而中微子则不受这些干扰,这让当时的天文学家意识到中微子可能是一种有效的天文学观测手段。而现在所观测到的中微子的能量是1987年观测到超新星爆发中所产生的中微子能量的上百万倍,究竟是什么天文学现象产生出这些中微子,宇宙学家对此产生了极大的兴趣。

绝大多数穿过地球的中微子都来自于太阳,另外还有很大一部分中微子则是宇宙射线与地球大气层相撞所产生的副产品,但是这些来自太阳系内部的中微子能量都比较低,宇宙学家们更关心的,是那些来自太阳系之外具有极高能量的中微子。这些具有极高能量的中微子,有可能在极为罕见的情况下与原子核中的夸克或是原子核外部的电子发生相互作用。正因为发生这种相互作用的概率极低,所以中微子探测器的体积必然会极为庞大。曾经就有研究者利用海水充当中微子探测器,也有很多物理学家们在20多年前就开始设想利用南极的冰层探测中微子,经过7年的建造,IceCube中微子观测台终于在2010年修建成功(建造这个观测台的主要工具是热水)。

中微子与冰块探测器中的原子核相碰撞时会产生出众多的亚原子粒子,这些碰撞产生出的粒子在冰块中以接近真空中光速的速度运动,而这个速度可能会超过光在冰块中的传播速度,这个过程与空气中的音爆现象相似,被称为“切连科夫辐射”(Cherenkov Radiation),会发出蓝色的光。这种极为微弱的蓝光可以穿透几米的冰层,有可能被感光器件所探测到,作为观测到中微子的证据。因此,没有气泡的透明冰块就成了探测中微子的最佳材料。因为被深埋在地下,其他绝大多数粒子都无法透过地面击中冰块,只有中微子和Muon粒子有可能到达冰块探测器,而绝大多数Muon粒子会在冰块表层被探测到,只有具有极高能量的中微子才有可能到达冰块探测器的内部,因此科学家们才在南极冰层下建造了这个世界上最大的粒子探测器。

为了探测到中微子与冰块探测器中的原子核相碰撞产生的蓝光,科学家们需要在冰块中钻孔,放入极为灵敏的感光器件。在冰块中微子观测台的各处,建造者们用了86根钢缆在冰块中放置了5160个非常灵敏的被称为“Phototube”的感光探测器,目前有来自11个国家的260名科学家在这里通过观测感光探测器进行工作。

从2010年5月到2012年5月之间,冰块中微子观测台已经观测到了28个在50TeV以上的具有极高能量的中微子信号,其中有两个中微子的能量超过了1000TeV,这个能量比一只在空中飞行的苍蝇的动能还要高!一个质量微乎其微的粒子却具有如此高的能量,这说明它出自宇宙中某个极为特殊的目前还不为人所知的事件。激动的物理学家们甚至给这两个最高能量的中微子起名为“Bert”和“Ernie”(这是美国一个儿童节目中两个布偶人物的名字)。

为了描述两年来观测到的超高能量的中微子信号,冰块合作项目的研究者们撰写了论文《冰块探测器发现的地球外高能量中微子的证据》(Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinosat the Ice Cube Detector),在2013年11月22日作为封面文章发表在《科学》杂志上,这篇论文迅速吸引了全世界的关注。有物理学家认为,冰块中微子观测台的使用,标志着人类开启了一门新的学科——中微子天文学,也就是说,人类通过观测来自太阳系外的中微子的情况来判断在宇宙中发生的事件。

想要通过观测中微子来了解宇宙,这并不是一件容易的事,目前人们通过观测到的高能量中微子现象,只能大概了解中微子来源的方向和碰撞能量。之后,还需要通过其他手段观测中微子来源的方向,希望能观察到一些少见的极端天文学现象,例如超新星爆发、黑洞、脉冲星,或是活跃的星系核作为粒子加速器,放射出大量的高能量中微子,但是目前宇宙学家们还未能如愿以偿,这可能是因为目前人们对于中微子的方向和能量判断的精度都还比较低。尽管这种新手段还显得有些幼稚且笨拙,但是我们仍然难免对它寄予厚望,没有人知道它会以怎样的方式为我们揭开宇宙中更深的秘密。

(本文写作参考了《科学》杂志和IceCube合作项目的相关报道)

 

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