冰立方把地球变成了一个巨型中微子探测器

资料来源:icecube协作，美国威斯康辛州，nsf

如图所示，冰块设施位于南极冰盖下的光电探测器阵列上方。

中微子是世界上数量最多的粒子之一，它们穿越宇宙几乎是不可阻挡的。你的身体每秒钟会通过数万亿次。但是中微子非常迷人:它们没有电荷，所以我们不能控制它们的路径或加速它们。它们几乎没有质量，几乎不能与其他物质相互作用，这意味着我们的物理理论中许多关于中微子的预测很难验证。

南极的冰块探测器现在已经确认了物理标准模型的一部分，该模型描述了高能基本粒子及其相互作用特性。根据标准模型，当中微子的能量上升时，它们与其他粒子相互作用的可能性也会增加。为了验证这一点，冰立方团队瞄准了中微子，中微子的能量是最好的粒子加速器所能产生的能量的几千倍，并将冰立方瞄准了地核，以捕捉从地球中心逃逸的中微子。

极坐标立方体

冰块由数百个埋在南极冰层下的探测器组成，这些探测器将探测穿过冰层的粒子。有时候，当有东西撞击冰中的原子时，冰块可以捕捉粒子和光子的喷射。在其他情况下，粒子只是轻推原子并释放一些光子。但是没有直接指向冰块的中微子源。相反，冰块的探测依赖于中微子的自然来源。其中一些是在遥远的太空中创造的，然后长途跋涉到地球。其他的是宇宙射线猛烈撞击大气层时产生的。

无论哪种情况，与粒子加速器相比，粒子碰撞时它们能产生的能量是巨大的。这项研究中的数据来自能量高达980万亿电子伏特的中微子。相比之下，大型强子对撞机只能将质子加速到6.5万亿电子伏，而只有更小的加速器才能产生中微子束。

由于这些巨大的能量，冰立方对标准模型试验非常有用:中微子更有可能与高能物质相互作用。物理学家把两者之间相互作用的概率称为“横截面”，即特定时刻的趋势和规律。当科学家使用粒子加速器产生的中微子束进行测试时，这些测试只覆盖光谱较低部分的一小部分能量。尽管这些测试与标准模型一致，但所涉及的能量并不足以增加中微子与其他物质相互作用的概率。

如果冰块仅仅依赖于中微子与探测器中其他物质的相互作用，那么至少需要几年时间来建立足够的碰撞测试来测试相关理论。因此，冰立方团队直接将整个地球作为观察对象，这样冰立方可以探测到生成的路径，科学研究团队可以识别从侧面进入探测器的中微子。这些中微子在南极从四面八方切向穿过地球，所以它们只与少数物质相互作用。

研究人员将这些中微子与穿过地球一半以上的中微子进行了比较，因为它们穿过了地球。在低能态，中微子相互作用非常罕见，所以几乎可以忽略不计。然而，地球仍然应该在足够高的能量下提供一个交互频率的测试。

仍然标准

正如预测的那样，与与地球相切的中微子数量相比，到达地球并穿过地球的中微子数量减少了。它们作为能量产物的频率也进一步下降。尽管到目前为止已经有更多的中微子到达，并且比标准模型预测的要多，但是由于实验的不确定性，测试结果并不完全符合最初的理论。

在上述能量范围内，相互作用随着能量的增加而线性增加。但数据中似乎有一条曲线隐约可见。这是意料之中的，因为中微子通过两种叫做W和Z玻色子的粒子与其他普通物质相互作用。它们的质量导致线性关系的轻微偏差。我们需要更多的数据来证实，但是这个新的分析只使用了冰块一年的数据，还有六年的时间。我希望不久能听到更多的消息。

在能量范围的较高部分，即980万亿电子伏特，几乎没有中微子。有了更多的数据，科学家可以进一步扩展分析。这一点很重要，因为许多理论推测都是基于高能相的高相互作用频率，比如额外的空间和尚未被发现和捕获的粒子光夸克。

与此同时，冰立方的科学家已经与地质学家取得了联系。因为他们注意到一些穿过地球的中微子会穿过地核，而另一些中微子会在避开地核的同时轻轻擦过地核。有了足够的数据，我们可以进一步了解地核的物质属性。毕竟，众所周知，没有人能钻到地核里去取样。

蝌蚪工作人员汇编自arstechnica