“冰立方”在南极俘获大量新型高能中微子
2013年05月23日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
“冰立方”在南极俘获大量新型高能中微子
中微子可以激活埋在冰下的传感器。图片来源： JAKOB VAN SANTEN
■本报实习生 段歆涔
在发现有史以来能量最高的2个中微子后，科学家利用深埋在南极点冰下的巨型粒子探测器，发现了另外26种新型高能中微子存在的迹象。这些新发现的中微子的能量要比之前发现的两个中微子的能量小一些，但似乎比宇宙射线撞击大气层——这也是地球中微子的主要来源——所形成的中微子的能量大一些。因此，这意味着，这些粒子可能由人们目前并不了解的、在深空中发生的天体物理学过程所形成。
“目前该结论仅仅是很初步的结果。”在5月15日于美国麦迪逊市举行的天体物理学粒子研讨会上，威斯康星大学麦迪逊分校学者Nathan Whitehorn表示，“我们并不完全确定这种新粒子来源于某种天体物理学过程。”但是，仅凭已知的太阳系过程，科学家很难解释为何这些粒子会有如此多的数量并携带如此多的能量。“如果在分析更多数据之后，我们发现结果确实是这样，并且其确实来自某种新型天体物理学来源，那么我们就能据此解释很多之前认为几近无解的问题。”
在冰立方（南极冰立方中微子天文台）工作的物理学家正在努力理解高能宇宙射线——从宇宙中飞来并轰击地球——的带电粒子起源，他们认为，这或许与上述中微子的起源有关。“基本上，任何你能想到可以产生宇宙射线的物体，都能同时产生中微子。” Whitehorn说，与宇宙射线轰击大气层时局部产生的中微子不同，天体物理学的中微子或许是和宇宙射线同时、由同一物体所产生的。
冰立方中微子天文台利用一张特制的“网”来捕捉著名的中微子—— 一种很少与物体原子相互作用的轻量级基本粒子——的滑行过程。冰立方由5000多个埋在南极冰下2公里的光线传感器组成，其所涉及的南极冰体足以填满几十万个奥林匹克游泳池。在这么大的体积中，来自宇宙的中微子穿过太空、穿过人体甚至是岩石，偶尔会撞上冰中的原子，从而发出微弱的闪光。
而这种闪光的特性，例如光的式样（存在斑点还是存在条纹）、粒子运动的方向（是从天空中向下运动，还是向上穿过地球）等，都能够揭示中微子的三个基本属性及其来源。中微子研究有一个关键优势——其他带电宇宙射线运动的轨迹因受到磁场的影响，都是弯曲缠绕的，而中微子则可不受这些因素影响，其运动轨迹为直线，也就是说，沿着其运动轨迹回溯，即可找到它们的来源。
根据已知的理论，在过去的两年中，研究者们已经识别了能量从数十兆到数百兆电子伏不等的10.6种粒子。而4月宣布发现的28种新粒子，包括两种非常高能的粒子，意味着科学家发现了中微子的新的来源。
因此“冰立方”物理学家、同时就职于威斯康星大学麦迪逊分校的Naoko Kurahashi Neilson，尝试通过追溯新粒子的到达方向来寻找其最初来源的蛛丝马迹。“我目前的工作是搞清沿着其路径回溯，是否会发现能够产生宇宙射线的天体。”她说。不过，或许由于可研究的粒子数量太少，研究者没有发现特别有力的证据。“因为虽然相对之前，我们已经做了相当多的工作，但是，这还远远不够。”她补充说，“我们得出了不存在可辨认的中微子来源的结论。”
研究人员利用筛选技术来排除仿冒粒子，并通过将监测器边缘设为“红旗地带”等手段来减少来自大气中微子的背景噪音。一些带电粒子，例如大气中的μ介子能够激发位于冰立方监测器边缘位置的传感器，而中微子则可以直接穿透并激活埋在冰下的传感器。“科学家不想要到达监测器上的物质，而想要在监测器上发生的东西。” “冰立方”物理学家、威斯康星大学麦迪逊分校学者Claudio Kopper说。不过，证明中微子确实来源于高能宇宙活动确实需要很长时间。“我们的目的就是找到来源，但可惜，我们还没有找到。” Kopper说。（原标题《“冰立方”南极显身手》）
《中国科学报》 (2013-05-23 第3版 国际)