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南极冰立方透视“中微子天文学”

2023-03-27 22:55 作者:邓如山  | 我要投稿

人们幻想一下在天空的某个地方发现了中微子,科学家以往在超大质量的黑洞和耗尽燃料后发生剧烈爆炸的恒星中发现了中微子运动的轨迹,他们现在对神秘的中微子采用了不同的探测方法,在南极洲的“冰立方”中微子观测站发现了少量幽灵般的高能中微子,它们来自地球的外层空间,中微子的发现开启了中微子天文学时代,在传统天文学的穹顶打开了一扇“天窗”。费尔米国家加速实验室位于伊利诺伊州的巴达维尔,实验室的天体物理学家丹·胡珀不是“冰立方”项目团队的成员,他做出了第三方的客观评价,“我们见证了中微子天文学的兴起”。

1987年,科学家从麦哲伦星云中一颗爆发的超新星上探测到了中微子,也最先在太阳辐射中发现了中微子。2013年4月,“冰立方”合作团队公布了中微子探测项目的成果,他们探测到了两个高能中微子,每个中微子的能量大约是一个Peta电子伏特,合作团队将两个高能中微子分别命名为伯特和欧尼,两个高能中微子的能量表明,它们不是从地球大气层而来、而是从外层空间而来,发现的成果使得团队成员倍受鼓舞,他们正在从细节层面检测中微子的特性。

冰立方合作团队的科学家近日在威斯康星——麦迪逊大学举办了一场“冰立方”粒子物理学主题的讨论会,总结了中微子的阶段性研究成果。特拉华大学的托马斯·盖舍尔是冰立方合作团队的成员,他对发现中微子的事件进行了解说,中微子总数的一半是大气层中微子,宇宙射线在撞击大气层的上层时产生了中微子,中微子总数的另一半是太阳系外的中微子,长期以来,外太空中微子是科学家搜索的主要对象。


不同中微子的归类是关键性的分析技术,太空中微子产生的途径不同,中微子的形态有三种:µ介子(谬介子)、τ介子(陶介子)和电子中微子,中微子在太空穿行时改变了形态或产生了震荡,从一种形态变化了另一种形态。在大气层中微子来源的情形中,µ介子形态中微子的数量比电子中微子多出了两倍,但在冰立方项目测得的数据表明,不同形态的中微子数量相同,中微子束在震荡过程中穿越了十分遥远的距离。

冰立方的巨大实验装置埋藏在南极洲的冰层,冰立方实验室第一次记录了来源于太阳系以外的中微子,科学家证明了这些中微子在外太空产生,不是在地球大气层的上方产生。为了接收遥远太空的中微子,合作团队建造了一个1立方公里的“冰立方”实验室,极为敏感的探测器被埋入了南极冰层,在冰立方中植入了86根弦棒,每一根弦棒挂上了60个极为敏感的光检测器,它们看起去好似绑扎在圣诞树枝上的彩色小球,光检测器被埋入到了深处的南极冰层。


冰层的中微子可能与冰的原子核发生罕见的碰撞,撞击事件会产生短暂闪射的现象,光敏探测器及时记录粒子碰撞的闪射。冰立方含有5000多个光探测器,用于捕获从遥远太空抵达地球的中微子。冰立方每年接收大约10万多个不同类型的中微子,它们可能来自地球的大气层、可能来自遥远的太空,科学家以往尝试将遥远太空的中微子与其它来源的中微子区分开来,但没有取得成功。从2010年5月到2012年5月,科学家一共检测到了26个能量大约为50tera电子伏特的中微子,仅有0.004%被检测到的机会,统计学波动不是困难所在,对信号本身的检测有问题。

类星体发射了中微子,不带电荷的中微子产生于发射源,它们不受磁场的影响,在高速运动中到达了地球。在超新星等天体的观测和分析中,捕获中微子是十分有用的方式,类星体和活动星系核看起来十分微小,类星体中心暗藏了一个有巨大驱动力的超大质量黑洞,从类星体等天体发射了中微子,科学家通过中微子检测得到了神秘天体的物理信息,“中微子天文学”对科学家了解宇宙射线的来源带来了帮助,宇宙射线和中微子的产生机制相同,然而,宇宙射线中的有些粒子与中微子不同,有些宇宙射线粒子带有电荷,进入地球磁场的带电粒子受到磁场干扰,它们的运动路径会产生弯折变形,确定宇宙射线的来源变得十分困难。

在银河系中心出现了中微子,科学家曾假设暗物质大量积聚在银河系中心,暗物质粒子可能发生了剧烈的相互碰撞。从冰立方实验室发现了天体物理学意义的高能中微子,从银河系中心发出的中微子有特别的能量,银心中微子的发现有助于科学家间接地找到银河系中心的暗物质。冰立方合作团队的负责人、威斯康星——麦德逊大学的弗朗西斯·哈尔岑解释说,合作团队从冰立方实验室收集了很少的数据,缺少对2012年5月以来实验数据的足够分析,拥有大数据库“金矿”,收集和分析大量检测的信号相当于挖掘金矿的价值所在。






(编译:2021-5-17)







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