南极“冰立方”探测到宇宙中微子

今夕何夕535

中微子探测开启中微子天文学的时代，2013年是中微子天文学的“元年”，以埋植在南极洲冰层的探测器为工具，天体物理学家成功地探测到了宇宙中微子，不同寻常的神秘中微子从太阳系外的宇宙发出，以光速漂移到了地球，飞奔的中微子撞击了地球表面，撞击能量好似一名棒球手投掷球的威力。对宇宙中微子的成功探测奠定了后续研究的基础，为了尽快了解高能中微子的真实来源，马里兰大学的物理学教授格雷戈里·沙利文带领了一支12人的科学团队，以南极洲的“冰立方”望远镜为平台，他们收集和分析了不同来源的中微子信号。
“冰立方”项目的国际合作召集人沙利文认为，科学界迎来了“中微子天文学”时代，科学团队宣布了震撼性的发现，他们观测了28个高能量中微子的事件，观测数据充分证明了天体物理学概念的中微子的实在性，中微子来自太阳系外的宇宙深处，通过分析“冰立方”的中微子信号，团队成员对距离地球几百万年到几十亿光年的天体物理现象有所了解，从中微子层面研究了天体的性质。人们对中微子的来源和获得加速度的方式一直感到迷惑不解，在100多年的思索中没有找到理想的观测手段。科研人员为解开中微子的神秘性研制了先进的仪器，建立了南极“冰立方”实验室，从中寻找天体物理学意义的中微子。“冰立方”如期建成，运行顺利，运行管理团队期待“冰立方”能够持续运行20年，收集中微子探测的更多数据。
《科学》杂志近期发表了科学团队的阶段性成果，“冰立方”埋植在南极1立方公里的冰层，中微子观测站第一次发现了宇宙中微子，科学团队的主要成员、威斯康辛—麦迪逊大学的物理学教授弗朗西斯·赫尔岑解释说，第一次获取的检测数据说明高能中微子来源于太阳系外。长期以来，一直搜索中微子的科学家终于在南极发现了它们的踪迹，“中微子天文学”时代的到来令他们感到格外惊喜，科学团队的成员、马里兰大学的助理教授卡拉·霍夫曼解释说，中微子是宇宙成分的基本模块之一，在人们谈话的不经意之间，每秒数十亿个中微子轻轻松松地穿越了他们的身体。能量极高的中微子似乎没有受到磁场的影响，在高速运动中保持了它们的方向和速度，绝大部分的中微子起源于太阳或地面以上的大气层，有些罕见的中微子来源于太阳系以外的星系。



人们从天体物理学的意义寻找中微子的起源，太阳系外的中微子来源于宇宙星系，但科学家没能给出明确的答案，只是猜测了诸如：伽玛射线暴、活动星系核和黑洞是中微子的潜在来源地。中微子在粒子物理学、天体物理学和天文学的研究领域十分重要，科学家努力探寻了50多年，研发了收集和分析高能中微子信号的探测器。“冰立方”科学项目有两个主要的目标，一是检测高能中微子的流量或比率，二是确定中微子的来源。国际合作团队由250多位物理学家和工程师组成，负责中微子观测站或中微子天文台的建立和运行，马里兰大学的物理学家是”冰立方“项目的主要合作方，从2002年开始，项目经过了独特的设计和建造。
“冰立方”实验室由160个数字化的光学器件组成，这些光学器件被悬置在86根弦棒上，所有弦棒嵌入到了南极冰层。冰立方观测站的成员通过微小的绿色闪亮发现中微子的踪迹，闪射的绿光被称为切伦科夫光辐射，“从天而降”的中微子和南极冰层产生了相互作用，冰立方实验室的计算机实时收集光传感器的信号，通过卫星向北发送有意义的光信息。马里兰大学的科研人员设计了“冰立方”数据收集和分析的软件系统，冰立方项目的设计和建造花费了10年，2011年，“冰立方”完成了首次的数据采集。科学界对冰立方项目的管理和运行给以了很高的评价，独特的探测器被埋植在南极深层的冰体，它的奇异功能是能够捕获北部和南部天空的中微子，这些中微子来源于宇宙深处，穿越了十分遥远的距离，在地球表面探知中微子的行踪，科学的奇迹令人兴奋。
2012年4月，“冰立方”探测了两个高能粒子事件，粒子能量超过了1PeV，科学团队将两个高能粒子取名为伯特和欧尼，第一次在南极探测器记录了天文来客的中微子。科学团队在发现伯特和欧尼之后查阅了从2010年5月到2012年5月的检测记录，从能量稍低的粒子中发现了26个高能粒子事件，它们的能量在30TeV以上，从能量指标可以判断，这些中微子起源于太阳系外。2013年5月15日，在华盛顿大学的麦迪逊校区召开了“冰立方”粒子物理学研讨会，马里兰大学的科学团队在会上发表了成果，中微子信号的频率高于4个西格玛，“冰立方”的发现满足了统计学的要求，科学团队确实探测到了地球外的高能中微子。



冰立方实验室的计算机以实时方式收集原始的数据，传出数据的探测器被埋植在南极深部的冰层，物理事件的数据经过了筛选，通过卫星向北方传送到使用者的电脑端，冰立方的合作成员、马里兰大学的科学团队设计了数据收集系统。从遥远的宇宙深处传来了中微子，它们似乎没有受到外在因素的阻扰，沿着直线以光速运动，中微子的直线特征可以作为“路线图”的指南，确定它们的来源地，找到了最初出发地的星系。到目前为止，科学家记录了28个中微子事件，数量不足，难以揭示中微子的来源。获得更多的观测数据是关键，“冰立方”的科学团队将会继续搜索，耐心地等待持续曝光时间长的照片，多的中微子事件意味着多的曝光点，曝光点被填充到照片上，通过更多的中微子观测数据，科学团队可以揭示它们“远方的家”。
冰立方的合作方将电缆的一端连接到埋植在冰面下的光传感器，将电缆的另一端连接到冰立方实验室的服务器。探测中微子的其它手段也在紧锣密鼓地实施，科学家建造了阿斯卡瑞安无线电陈列，这是一种地面中微子天文望远镜，无线电频率穿透了十分寒冷的冰层，以探测中微子的信号。马里兰大学的霍夫曼团队计划将37个无线电天线植入南极冰层，构成一个无线电传输的集群。“冰立方”中微子观测台得到了美国科学基金会的资助，国际合作伙伴的科学基金机构给以了资金支持，美国科学基金会的极地项目和物理学分会为“冰立方”项目的日常运行和维护支出了费用，冰立方的国际合作伙伴从各自的机构和基金会得到了一部分运行和维护的费用。
马里兰大学是冰立方国际合作项目的主要召集方，沙利文和霍夫曼教授负责指导马里兰大学的教师和科研人员，有些在校的研究生参加了冰立方项目的设计、建造和运营管理。（《科学》杂志在封面上发布了冰立方实验的图片，红颜色的分布为早期的事件信息，绿色的分布为晚期的事件信息。中微子和南极洲冰立方探测器产生了相互作用。在2011年7月14日的物理事件中，从光传感器传出的中微子的能量为250TeV。科学团队找到了第一批高能中微子活动的证据，这些中微子是天体物理学意义的基本粒子。



（编译：2021-11-29）