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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

现有中微子探测器都是埋在地下的数千吨庞然大物,它们才能隔绝宇宙射线等背景干扰,观测到足够数量的中微子。

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最后,正电子与一个大气分子的电子湮灭,产生一对伽马射线,每一个射线都有一个特征能量(即0.511兆电子伏特)。

我们看到了粒子流,现在我们必须找出它对天文学的价值。

日前出版的《科学》杂志刊登论文称,美国科学家利用只有奶壶大小的探测器,首次捕捉到中微子与原子核间相干性散射,完成了那些巨型探测装置多年来苦苦追寻未果的重要目标,从实验上验证了40多年前提出的一项物理学理论。

  1. SCANPYRAMIDS。

  2. 当“粒子物理学”遇上“考古学”。

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。

1974年,麻省理工学院理论物理学家丹尼尔·弗雷德曼提出了中微子—原子核相干性弹性散射理论,认为中微子和其他量子粒子一样具有波粒二象性。也就是说,中微子波长会随着粒子能量而变化,当其处于高能状态时,只与某个质子或中子发生相互作用;而当其处于低能状态时,就会与包含所有质子和中子在内的整个原子核发生相干性作用,中微子从原子核弹回,从而发出可以检测到的信号。

正如所有的科学故事一样,每一个伟大的谢幕都意味着新的开始。

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”。

几十年来,物理学家们一直在试图利用核反应堆找到这种弹性散射效应,但一无所获。杜克大学物理学家凯特·斯格尔伯格解释说,从质量大小来说,中微子好比乒乓球,原子核好比保龄球,用中微子弹射原子核,就如同用乒乓球撞击保龄球,你能看到保龄球滚动吗?而要验证弗雷德曼的理论,需要检测到原子核被中微子反弹。

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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。

此次,斯格尔伯格和另外80位科学家共同组建的实验组,终于首次探测到中微子—原子核相干性散射。

2017年9月15日,土星探测器卡西尼号朝地球发出了最后一个信号,以高速冲向土星大气层,终结了自己的生命。NASA

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。

他们利用掺杂钠的碘化铯晶体制成奶壶大的高灵敏探测器,对橡树岭国家实验室散裂中子源装置产生的中微子进行了检测。

今年,我们在科学上的不懈努力,取得了许多突破性的成就。但没有人因此而懈怠,因为每一次的成功都意味着有更多的谜题等待着我们去探索、发现、揭开。

完美的中微子

当中微子通过时,碘化铯晶体内的原子核会发生反弹,哪怕信号只有一点点,碘化铯晶体也能产生可以检测到的闪光。在461天的实验数据中,他们总共观测到了134次中微子散射事件。

在2017年即将迎来它的谢幕之前,我们一起来回顾一下今年科学中有哪些令人激动人心的时刻:

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。

费雷德曼接受媒体采访时表示:“真的太激动了。43年了,我的理论终于得到了实验验证。”

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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。

幽灵般的粒子

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。”

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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。

JEAN LACHAT/UNIVERSITY OF CHICAGO

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。

作为基本粒子之一的中微子,有一个臭名昭著的特征:它们像幽灵一般,几乎不与物质发生反应!科学家为了捕捉它们的踪迹通常需要建造包含几万或数十万吨的探测材料的巨大探测器,才能增加中微子和物质间的反应几率。然而,今年八月,美国橡树岭国家实验室设计了一种可以随手携带,并且只有14.6公斤的小型中微子探测器,第一次捕捉到了43年前就被预测的一个反应:低能量的中微子与原子核内所有的核子发生散射。这个过程被称为“相干弹性中微子-原子核散射皇家88平台注册,”。此次的发现不仅验证了物理学家Daniel
Freedman在1974年的预言,也为便携式探测器开辟了道路。

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。

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