【博科園-科學(xué)科普】在南極的阿蒙森 - 斯科特南極站，有一個(gè)專門研究中微子基本粒子的設(shè)施IceCube Neutrino Observatory。該陣列由5160個(gè)球形光學(xué)傳感器組成——數(shù)字光學(xué)模塊（DOM） 埋在一立方千米的冰中。目前這個(gè)天文臺(tái)是世界上最大的中微子探測(cè)器，過去七年來一直在研究這些粒子的性質(zhì)和相互作用。
這張圖片展示了在南極冰立方實(shí)驗(yàn)室的視野中，最高能量中微子探測(cè)的一個(gè)可視化表示概念圖。圖片版權(quán)：IceCube Collaboration
在美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)家的協(xié)助下，IceCube合作最近發(fā)布的一項(xiàng)研究測(cè)量了地球第一次阻止中微子的能力。與粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型相一致，盡管有數(shù)萬億的中微子通過地球(包括我們?nèi)祟愖约?，但偶爾會(huì)有一些中微子停下來。
最近發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的這項(xiàng)研究題為“用地球吸收來測(cè)量多tev中微子相互作用與冰立方的相互作用”。該研究小組的研究結(jié)果基于對(duì)高能量、向上移動(dòng)的中微子的10784種相互作用的觀察，這些中微子是在天文臺(tái)一年的時(shí)間里記錄下來的。
南極的IceCube中微子觀測(cè)臺(tái)。圖片版權(quán)：Emanuel Jacobi/NSF
早在2013年，高能中微子的首次檢測(cè)就是由IceCube合作完成的。這些被認(rèn)為是天體物理學(xué)的中微子處于電子伏特范圍，使它們成為迄今為止發(fā)現(xiàn)的最高能量的中微子。通過尋找Cherenkov輻射，IceCube搜索這些相互作用的跡象，這是在快速移動(dòng)的帶電粒子通過與正常物質(zhì)相互作用而減慢之后產(chǎn)生的。
通過探測(cè)與清冰相互作用的中微子，IceCube儀器能夠估計(jì)中微子的能量和行進(jìn)方向。然而盡管有這些檢測(cè)結(jié)果，關(guān)于是否有任何物質(zhì)可以阻止中微子在太空中行進(jìn)，這個(gè)神秘的東西依然存在。根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，這是偶爾會(huì)發(fā)生的事情。
在觀察IceCube一年的相互作用之后，科學(xué)小組發(fā)現(xiàn)，那些穿越地球最遠(yuǎn)的中微子到達(dá)探測(cè)器的可能性更小。賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)/天體物理學(xué)教授Doug Cowen在賓夕法尼亞州立大學(xué)的新聞發(fā)布會(huì)上解釋道：
這一成就非常重要，因?yàn)樗状伪砻?，非常高能的中微子可以被某種東西吸收 ——在這種情況下，就是地球。我們知道低能中微子幾乎可以穿過任何東西，但是盡管預(yù)期高能中微子會(huì)有所不同，但以前的實(shí)驗(yàn)并沒有能夠令人信服地證明高能中微子可以被任何東西阻擋。
IceCube中微子天文臺(tái)中心的中微子探測(cè)器Icetop Tank。圖片版權(quán)：Dan Hubert
中微子的存在最早是由理論物理學(xué)家沃爾夫?qū)け＠╓olfgang Pauli）在1930年提出的，他假設(shè)它的存在是從能量守恒的角度來解釋?duì)滤プ兊囊环N方式。之所以如此命名，是因?yàn)樗鼈兪请娭行缘模荒芡ㄟ^微弱的亞原子力和重力與物質(zhì)相互作用。因此中微子經(jīng)常通過正常的物質(zhì)。
中微子是由地球上恒星和核反應(yīng)堆定期產(chǎn)生的，而第一批中微子是在大爆炸期間形成的。因此，研究它們與正常物質(zhì)的相互作用，可以告訴我們很多有關(guān)宇宙在數(shù)十億年內(nèi)如何演變的信息。許多科學(xué)家預(yù)計(jì)，對(duì)中微子的研究將表明新物理學(xué)的存在，超越了標(biāo)準(zhǔn)模型。
正因?yàn)槿绱?，科學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)他們的結(jié)果感到有些驚訝（也許是失望）。正如威斯康星州麥迪遜大學(xué)（University of Wisconsin-Madison）的IceCube Neutrino Observatory（首席研究員）和物理學(xué)教授Francis Halzen所解釋的那樣：了解中微子如何相互作用是IceCube操作的關(guān)鍵，我們當(dāng)然希望能出現(xiàn)一些新的物理學(xué)，但不幸的是發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型像往常一樣經(jīng)受住了考驗(yàn)。
向下看IceCube的探測(cè)器鉆孔之一。圖片版權(quán)：IceCube Collaboration/NSF
大多數(shù)情況下，這項(xiàng)研究所選用的中微子比 太陽或核電廠所產(chǎn)生的中微子多一百萬倍以上。這個(gè)分析還包括一些天體物理學(xué) - 也就是超出地球大氣層的地球物理學(xué)——也許是超大質(zhì)量黑洞（SMBHs）加速到地球的。
艾伯塔大學(xué)物理學(xué)教授Darren Grant也是IceCube協(xié)作組織的發(fā)言人指出：這個(gè)最新的互動(dòng)研究為未來的中微子研究打開了大門，中微子的行為給我們帶來了驚人的聲譽(yù)?？吹竭@個(gè)第一次測(cè)量，以及未來精密測(cè)試的潛力，這是非常令人興奮的。
這項(xiàng)研究不僅提供了地球吸收中微子的第一次測(cè)量，也為希望使用中微子探索地球內(nèi)部的地球物理學(xué)研究人員提供了機(jī)會(huì)。鑒于地球有能力阻止數(shù)十億常規(guī)通過它的高能粒子，科學(xué)家們可以開發(fā)研究地球內(nèi)外核的方法，對(duì)其大小和密度進(jìn)行更精確的限制。
這也表明該天文臺(tái)能夠超越其原本的目的，即粒子物理研究和中微子研究。正如最新研究清楚表明的那樣，它也有助于行星科學(xué)研究和核物理。物理學(xué)家也希望使用完整的86弦IceCube陣列進(jìn)行多年分析，研究更高范圍的中微子能量。
這個(gè)事件顯示了“Bert”，這是在IceCube上發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)中微子事件之一，其能量超過了一個(gè)電子伏特（PeV），圖片版權(quán)：Berkeley Labs.
正如美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）物理部門（負(fù)責(zé)為IceCube提供支持）的項(xiàng)目總監(jiān)詹姆斯·惠特莫爾（James Whitmore）指出的那樣：這可以讓他們真正地尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。
IceCube的建立是為了探索物理學(xué)的邊界，這樣做可能會(huì)挑戰(zhàn)對(duì)宇宙本質(zhì)的現(xiàn)有看法。這個(gè)新的發(fā)現(xiàn)和其他未來的發(fā)現(xiàn)是在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的精神。自從2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以來，物理學(xué)家就已經(jīng)確信，確定標(biāo)準(zhǔn)模型的漫長(zhǎng)旅程已經(jīng)完成。從那以后，他們把它們放在了更遠(yuǎn)的地方，希望找到能夠解決宇宙更深層的奧秘的新物理學(xué)——即超對(duì)稱性，萬物論（ToE）等等。
這一點(diǎn)，以及研究物理學(xué)在最高能級(jí)(類似于宇宙大爆炸時(shí)存在的能級(jí))是如何工作的，是物理學(xué)家目前的當(dāng)務(wù)之急。如果他們成功了，我們可能就會(huì)明白宇宙是如何運(yùn)作的。
知識(shí)：科學(xué)無國(guó)界，博科園-科學(xué)科普
參考：賓州州立大學(xué)，《Nature》
