“冰立方”藏在南极的中微子“捕手”

“冰立方”藏在南极的中微子“捕手”
王善钦;吴雪峰
【期刊名称】《科学24小时》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】2页(P8-9)
【作者】王善钦;吴雪峰
【作者单位】南京大学-加州大学伯克利分校;中国科学院紫金山天文台
【正文语种】中文
中微子，这个曾在2011年的“超光速”乌龙事件中一度街知巷闻的粒子物理学名词，在国际物理学的舞台上几度掀起了波澜。

先是2013年11月，位于南极的“冰立方”中微子天文台首次确定探测到了来自太阳系外的深空中微子；而后是2014年的2月11日，一组英国科学家对中微子的质量提出了新的见解，认为中微子比先前认知的要重得多；最近一次是2017年9月22日，“冰立方”探测到一个来自37亿光年之外的超高能中微子。

在诸多实验设施和探测设备中，埋在南极洲冰层里的中微子探测器“冰立方”，毋庸置疑在高能中微子领域独领风骚。

埋在南极冰层下的庞然大物
“冰立方”由86根光缆组成，每根光缆安装有60个探测器，共有5160个探测器。

每个探测器的直径是35厘米，与一个篮球差不多大。

这些探测器全部被埋在
一个长、宽、高都是1000米的冰层里，冰层为立方体，故称为“冰立方”。

这块巨大的冰最浅处离地面1450米最深处离地面2450米。

埋在如此深的地方，为的是让地层将一些干扰信号屏蔽掉，只让中微子进入冰立方。

在地球上，只有南极有这么厚、这么宽广、这么纯净的冰层，这就是物理学家选择在南极建立“冰立方”的原因。

“冰立方”所处的位置温度非常低，因此装备都是耐低温材料制成。

“冰立方”以冰内的质子作为靶子，冰作为媒介。

当中微子与冰内的质子反应时，产生的高速运动粒子在冰内会发出切伦科夫辐射，辐射以可见光为主。

探测器捕捉到这种辐射，并沿着光缆将信号传给位于地面上的控制中心，研究人员根据信号进行分析与计算，就可以得到中微子的能量与方向。

由于中微子与物质的相互作用极度微弱，所以有大量中微子穿过介质，却只有极少数能与介质相互作用，并产生信号。

“冰立方”与高能中微子
2000年，“冰立方”的前身阿曼达（Amanda）开始运作，此后物理学家边观测，边增加光缆和探测器。

2001年，物理学家用它发现了大气中微子。

2011年，
“冰立方”的86根光缆、5160个探测器全部安装完毕。

在2010年到2012年间，“冰立方”共探测到28个银河系外的高能中微子，其
中有2个达到了1015电子伏。

这个能量有多高呢？我们对比一下此前介绍的来自核反应堆、太阳、超新星的中微子的能量就知道了：它们的能量在0.3到20兆电子伏（1兆=106）左右。

1015电子伏的中微子，能量是那些中微子能量（不超过20兆电子伏）的5000万倍以上！当今世界上最强大的加速器、耗资近百亿欧元
的“大型强子对撞机”，也只能将质子加速到大约6.5×1012电子伏。

换句话说，“冰立方”探测到的2个最高能量的中微子的能量，是大型强子对撞机加速出来
的质子的能量的100多倍。

如果我们将这个能量换算成焦耳，1015电子伏等于1.6×10-4焦耳。

这样的能量看上去非常小，但要知道这是一个极微小的粒子携带的能量。

这就好比是一根针被加速到动能超过一架大型客机所产生的动能。

中微子何以高能
这么高能量的中微子是怎么产生的？物理学家和天文学家提出了各种模型。

其中，于1991年提出的一个模型最有吸引力：星系中的巨型黑洞疯狂吞噬“腰部”周围的尘埃与分子云，导致内侧的尘埃与分子云发出极亮的光芒。

这样一个包含巨型黑洞的活跃星系被称为“活动星系”，黑洞和周围被吞噬的物质被称为“活动星系核”。

活动星系核不仅会在“腰部”发出极高亮度的电磁波，还会在自己的“头上”和“脚下”喷发出高速运动的“喷流”，喷流里质子等粒子被加速到极端高速和高能的状态。

质子与质子彼此间互相碰撞或者质子与光子碰撞，形成高能的π介子或者κ介子，而后者衰变为光子与中微子。

如果活动星系核的“头”或者“脚”喷发出的喷流正好正对着地球，我们就称它们为“耀变体”。

耀变体被证明至少是宇宙射线的来源之一。

要产生中微子，就需要衰变的介子，而这些是由加速的质子产生的。

这为黑洞加速质子提供了第一个确凿的证据。

从伴随的伽玛射线中，我们可以肯定宇宙中微子和宇宙射线至少有时有一个共同的起源。

一个全新的科学领域——高能中微子天文学，正式启动了这个发现。

中微子不再是各种天体相互作用的副产品，也不再是我们对于太阳系之外的宇宙的好奇心。

相反，我们可以用它们作为宇宙和物理基本定律本身的基本探测。