南极中微子探测器一无所获

(文/Lisa
Grossman)经过数年的等待,世界上最大最好的中微子探测器终于睁开了敏锐的双眼,开始探测亿年来持续轰击地球大气层的超高能宇宙射线。

冰立方:何时开启一个新天堂 科学家讲述探索中微子的故事

但这个探测器却像盲人一样不见一物。

澳门网赌网址,我们看到了粒子流,现在我们必须找出它对天文学的价值。

在长达13个月的搜寻中,南极冰块探测器一无所获。“我们没有看见任何东西。”威斯康星大学麦迪逊分校的中微子物理学家内森•怀特霍恩说。他是与此相关的论文的合著者,论文描述了他们的南极“狩猎”并发表在《物理评论快报》上。他说:“连擦边球都没有。”

1年半前,与世界最奇特科学仪器“共事”的物理学家获得一个喜忧参半的突破。这台巨大的冰立方粒子探测器探测到来自外太空幽灵般的亚原子粒子——中微子。“冰立方”是世界上最大的粒子探测器之一,坐落于南极。5160个光传感器呈三维模式排列在南极深厚的冰层中,组成了一张特制的“网”,用于捕捉中微子。这是自1987年以来,科学家首次捕获到来自太阳系外的中微子。

宇宙射线的起源困扰了物理学家很久,它们是来自宇宙的高速粒子。其中的一些粒子比大型强子对撞机(LHC)产生的粒子能量高出100万倍。

研究人员之前探测到太阳发射出能量较低的中微子涌流,并且这些如流星雨一般的粒子在大气层中会发生相互作用。但除了1987年附近超新星爆发涌出的中微子流,人们从未探测到来自宇宙深处的这些“天外来客”。

然而,经过一个世纪的研究,科学家们对它们的来源还没有确定的观点。“它是物理界最大的未解之谜之一。”
怀特霍恩说,“是什么制造了它们?”

一些物理学家表示,这是一个诺贝尔级别的发现,但它听起来也像是一个严重警告。冰立方每年仅能探测到约12个中微子。以这样缓慢的速率,这架耗资2.79亿美元的探测器可能永远不会像宣传语说的那样:作为一架中微子望远镜,它能打开一个全新的天堂。

伽马射线暴是一个高端的理论神话,几乎能够照射到可观测宇宙中的一切事物。尽管对伽马射线暴的来源我们知之甚少,但理论上它们的一部分特定能量表现形式为中微子。

但随着数据的不断收集,研究人员是乐观的。美国威斯康星大学理论物理学家Francis
Halzen表示,终究事实证明,宇宙中微子的发现意味着一台足够大的探测器能收获足够多的信息,以便研究天空。“我们看到了粒子流,现在我们必须找出它对天文学的价值。”他说。Halzen及其团队正推动扩大冰立方的规模。同时,其他研究人员正在开发更便宜有效的方法。

中微子是极小的中性粒子,而且很不情愿与其它物质相互作用。它们极难被探测,太阳中心产生的中微子必须穿越数光年的旅程才能有50%的机会与一个铅原子相遇!

更重要的是,这些宇宙中微子已经在讲述一个故事,尤其是当与来自深空的其他粒子(被称为伽马射线的高能光子及超高能宇宙射线)一起时。物理学家一直想知道大部分中微子、伽马射线和宇宙射线来源于哪里。冰立方团队成员、瑞典乌普萨拉大学物理学家Olga
Botner表示,日前,在一次引人注意的会上,所有这3个问题似乎都有同样的答案。“我们相信产生宇宙射线的‘引擎’,也产生了伽马射线和中微子。”她说。

但每隔一段时间,中微子就会粉碎一个原子核,发射出核粒子流。如果这些粒子穿过水或冰,它们会留下淡蓝色的光轨迹,可以通过敏感的光子探测器捕捉。

如果这样的话,物理学家就只有一个谜题需要解开。这也暗示,解决方案将不需要外来的新粒子物理学:有关恒星和星系的传统天体物理学就能满足。

由冰块组成的5160个光子探测器阵列,深埋在南极冰层一英里下,经过十年的建设时间,并于2010年12月完工。与先前的中微子探测器(如日本的超级神冈探测器和加拿大的SNOw)不同,庞大的冰块可以感应到能量高于万亿电子伏特的中微子。如果伽马射线暴是宇宙射线的罪魁祸首,那么冰块就可以发现它。

对于追踪宇宙奥秘,来自宇宙的中微子有比其他粒子更大的优势。带电的宇宙射线会在星系磁场中打转;伽马射线会与宇宙大爆炸后徘徊不去的宇宙微波背景辐射相缠绕。相反,不带电的中微子能在宇宙中急速径直地穿越。“中微子是最终的高能‘信使’。”伊利诺伊州芝加哥大学物理学家Abigail
Vieregg说,“如果你能看到,它们是完美的。”

在新研究中,冰块小组对比了从2008年4月5日到2009年5月20日的数据,那时探测器只完成了一半,期间在北半球探测到了117次伽马射线暴。(小组不得不忽略南半球的情况,因为很多来自大气的粒子非常像中微子。科学家们用地球作为护罩,只观测穿越整个行星的粒子,以防止鱼目混珠。)

而这是最困难的部分之一。中微子与其他物质的相互作用十分微弱,每秒亿万颗中微子刺穿人体却未被发现。要辨认这些相互作用,探测器必须非常巨大。因此,冰立方体积达1立方公里,包含10亿吨冰。

科学家们追踪了每次伽马射线暴,每次的观测比任何中微子到达时间长半个小时,可仍空手而回。甚至那些是统计学上毫无意义的粒子也没发现,更别说预期的高能量品种了。

这些冰是冰立方的中微子“捕手”。在极少情况下,中微子会撞到原子,结果产生一种叫作μ子的粒子以及一种蓝光闪烁特征,探测器可以捕获这种闪烁。在冰立方中,中微子在与冰层中的氧原子相撞时,撞击会产生微弱的蓝色闪光,并且科学家可以根据蓝光判断中微子飞入探测器时的方向和能量。

没有检测结果限制了伽马射线暴所产生宇宙射线的多少。韦克斯曼说,这意味着伽马射线暴产生的宇宙射线少于总数的82%。

但不幸的是,对于宇宙中微子猎人而言,其他许多粒子也会在探测器中产生相似信号。闯入大气层的宇宙射线也能产生许多中微子和μ子。而大气层中微子数量与宇宙中微子数量的比是1000:1。