科学家讲述探索中微子的故事

我们已经看到了粒子流，现在我们必须找出它对天文学的价值。

一年半前，物理学家与世界上最奇怪的科学仪器“合作”，取得了一个喜忧参半的突破。这个巨大的冰块粒子探测器探测到来自外太空的幽灵般的亚原子粒子——中微子。“冰块”是世界上最大的粒子探测器之一，位于南极。5160个光传感器以三维模式排列在南极冰层深处，形成一个捕捉中微子的特殊“网”。这是自1987年以来科学家第一次从太阳系外捕获中微子。

研究人员先前已经发现，太阳发出低能中微子流，这些流星雨状的粒子在大气中相互作用。然而，除了1987年附近超新星爆炸产生的中微子流，人们从未从宇宙深处探测到这些“低语”。

一些物理学家说这是一个诺贝尔级的发现，但听起来也像是一个严重的警告。冰块每年只能探测到大约12个中微子。如此缓慢的速度，2.79亿美元的探测器可能永远也不会像口号所说的那样，像中微子望远镜一样打开一个全新的天堂。

然而，随着数据的不断收集，研究人员感到乐观。美国威斯康星大学的理论物理学家弗朗西斯·哈尔曾说，毕竟，宇宙中微子的发现证明了一个足够大的探测器可以收集足够多的信息来研究天空。"我们已经看到了粒子流，现在我们必须找出它对天文学的价值."他说。哈尔曾和他的团队正在推动冰立方的扩张。与此同时，其他研究人员正在开发更便宜、更有效的方法。

完美中微子

更重要的是，这些宇宙中微子已经在讲述一个故事，尤其是当它们与来自深空的其他粒子(称为伽马射线和超高能宇宙射线的高能光子)结合时。物理学家一直想知道大多数中微子、伽马射线和宇宙射线来自哪里。瑞典乌普萨拉大学的物理学家、冰块小组成员奥尔加·博特纳说，几天前在一次有趣的会议上，三个问题似乎都有相同的答案。"我们相信产生宇宙射线的‘引擎’也产生伽马射线和中微子."她说。

如果是这样，物理学家只有一个难题要解决。这也意味着解决方案不需要外国的新粒子物理学:传统的恒星和星系的天体物理学就足够了。

在追踪宇宙奥秘方面，来自宇宙的中微子比其他粒子有更大的优势。带电的宇宙射线将在星系的磁场中旋转；伽马射线将与宇宙微波背景辐射(CMB)纠缠在一起，后者在大爆炸后依然存在。相反，不带电荷的中微子可以快速直接穿过宇宙。"中微子是终极高能‘信使’。"伊利诺伊州芝加哥大学的物理学家阿比盖尔·维耶格说，“如果你能看到它们，它们就是完美的。”

这是最困难的部分之一。中微子和其他物质之间的相互作用非常微弱。每秒钟有数以亿计的中微子穿透人体而没有被发现。为了识别这些相互作用，探测器必须非常大。因此，冰的立方体积是1立方千米，包含10亿吨冰。

冰是冰块的中微子“捕捉器”。在极少数情况下，中微子会撞击原子，产生一种叫做μ子的粒子和一种可以被探测器捕获的蓝光闪烁特征(切向伦科夫辐射)。在冰块中，当中微子与冰中的氧原子碰撞时，碰撞会产生微弱的蓝光，科学家可以根据蓝光判断中微子飞入探测器的方向和能量。

不幸的是，对于宇宙中微子猎人来说，许多其他粒子也会在探测器中产生类似的信号。宇宙射线进入大气层也会产生许多中微子和μ子。大气中微子与宇宙中微子的比率是1000:1。

经过一系列筛选，从2010年5月到2012年5月，冰块探测器研究小组发现了28个能量超过30万亿电子伏特的中微子，其中两个甚至超过了1000万亿电子伏特。这种能量高于大多数大气中微子的能量。研究人员估计，其中只有11个可能是大气中微子和普通宇宙射线伪造的背景事件。博特纳说，目前的收获量是54，其中3个有超过1000 TeV的能量。盐湖城犹他大学的宇宙射线物理学家Pierre Sokolsky指出，这些被认为是宇宙中微子。

仍然是个谜

但是如果中微子打开了探索宇宙的新窗口，这个窗口仍然是黑暗的。冰立方探测到的大多数事件都像瀑布一样，只能追踪10-15度方向的中微子。到目前为止，冰立方团队中的所有物理学家可以说宇宙中微子似乎来自整个天空。这意味着它们起源于银河系之外。

至于直接寻找中微子源，到目前为止，冰立方只确定了一个可能的候选者，一个叫做伽马射线爆发的恒星爆发。然而，冰立方团队的物理学家没有发现宇宙中微子时间和其他设备记录的伽马射线爆发时间之间的任何关联。博特纳说，伽马射线爆发产生的中微子不超过1%。

然而，尽管冰立方没有发现宇宙中微子的来源，它的数据仍然揭示了关于这些粒子的信息。特别是，这些结论将宇宙中微子与最神秘的宇宙粒子(最高能量的宇宙射线)联系起来。

超高能宇宙射线可以将能量压缩到1亿TeV，它们将以每100年1平方公里的速度撞击地球。为了识别它们，物理学家需要部署大规模的探测器，比如阿根廷的皮埃尔·Og天文台和犹他州东部沙漠的望远镜阵列。然而，没有人知道这些超高能宇宙射线来自哪里，以及如何获得如此高的能量。一些理论家认为它们来自大爆炸时期存在的大质量粒子的衰变，或者可能来自更传统的天体物理“加速器”，如超新星遗迹。

到目前为止，冰立方数据支持天体物理学版本。原因是这与伊莱·韦克斯曼(目前在以色列魏茨曼科学院工作)和普林斯顿高等研究院的约翰·巴赫尔在1998年晚些时候的估计结果一致。Waxman和Bahcall假设宇宙中微子来自一系列标准的粒子相互作用，这种相互作用始于宇宙中超高能质子与光子的碰撞。撞击将产生一个带电介子，它可以衰变为一个μ子和三个中微子。他们得出结论，到达地球的宇宙中微子数量可能取决于形成超高能宇宙射线的质子数量。

博特纳说，事实上，冰块的测量结果与韦克斯曼-巴赫尔推断相符。这意味着产生超高能宇宙射线的天体物理源也会产生宇宙中微子。相反，如果宇宙射线和中微子来自不同的来源，或者来自非常大的粒子的衰变，测量结果将会不匹配。

扩大规模

为了检验这些结论，物理学家需要找到更多的中微子并找到一些来源。冰立方团队有一个更直接的计划:将设备扩大到目前规模的10倍。哈尔曾说，这可能只需要将光传感器的数量增加一倍。他指出，南极的冰比预期的更清晰，所以新的传感器间距可以比当前的间距更大。哈尔曾说:“在未来几年里，我们和探测器将实现什么？我们可能永远无法回答这个问题。我们希望有一个更大的探测器。”

今年夏天，冰立方团队计划向国家科学基金会申请增加3亿美元。他们希望在未来10年内完成扩张。时间表不像听起来那么悠闲。研究人员每年夏天只在南极工作，使用专业液压钻井工具钻孔可能需要几天时间。"如果你从2026年开始往回推，剩下的时间不多了."伯特纳说。事实上，工作人员花了七年时间才安装了目前的冰立方探测器。

然而，简单地在其表面添加探测器可能会提高冰块的开发速度。目前，81个表面探测器基本上覆盖了1.2平方公里的冰块，而德国亚琛工业大学的扬·奥芬伯格说，将面积扩大到150平方公里将大大提高物理学家追踪宇宙中微子起源的能力。

韦克斯曼预测，如果科学家能够扩大冰块，他们将会找到至少几个来源。这些观察将测试新兴的集成模型。"人们将决定下一步需要做什么。"维克斯曼说。但他指出，更大的探测器是不够的。研究人员可能需要很多年才能找到这些来源。然而，尽管人们还没有到达中微子天文学的“王国”，但它最终将触手可及。(张张)