科學(xué)家講述探索中微子的故事

我們看到了粒子流，現(xiàn)在我們必須找出它對(duì)天文學(xué)的價(jià)值。

圖片來(lái)源：FELIPE PEDREROS

1年半前，與世界最奇特科學(xué)儀器“共事”的物理學(xué)家獲得一個(gè)喜憂參半的突破。這臺(tái)巨大的冰立方粒子探測(cè)器探測(cè)到來(lái)自外太空幽靈般的亞原子粒子——中微子。“冰立方”是世界上最大的粒子探測(cè)器之一，坐落于南極。5160個(gè)光傳感器呈三維模式排列在南極深厚的冰層中，組成了一張?zhí)刂频摹熬W(wǎng)”，用于捕捉中微子。這是自1987年以來(lái)，科學(xué)家首次捕獲到來(lái)自太陽(yáng)系外的中微子。

研究人員之前探測(cè)到太陽(yáng)發(fā)射出能量較低的中微子涌流，并且這些如流星雨一般的粒子在大氣層中會(huì)發(fā)生相互作用。但除了1987年附近超新星爆發(fā)涌出的中微子流，人們從未探測(cè)到來(lái)自宇宙深處的這些“天外來(lái)客”。

一些物理學(xué)家表示，這是一個(gè)諾貝爾級(jí)別的發(fā)現(xiàn)，但它聽(tīng)起來(lái)也像是一個(gè)嚴(yán)重警告。冰立方每年僅能探測(cè)到約12個(gè)中微子。以這樣緩慢的速率，這架耗資2.79億美元的探測(cè)器可能永遠(yuǎn)不會(huì)像宣傳語(yǔ)說(shuō)的那樣：作為一架中微子望遠(yuǎn)鏡，它能打開(kāi)一個(gè)全新的天堂。

但隨著數(shù)據(jù)的不斷收集，研究人員是樂(lè)觀的。美國(guó)威斯康星大學(xué)理論物理學(xué)家Francis Halzen表示，終究事實(shí)證明，宇宙中微子的發(fā)現(xiàn)意味著一臺(tái)足夠大的探測(cè)器能收獲足夠多的信息，以便研究天空?！拔覀兛吹搅肆Ｗ恿鳎F(xiàn)在我們必須找出它對(duì)天文學(xué)的價(jià)值?！彼f(shuō)。Halzen及其團(tuán)隊(duì)正推動(dòng)擴(kuò)大冰立方的規(guī)模。同時(shí)，其他研究人員正在開(kāi)發(fā)更便宜有效的方法。

完美的中微子

更重要的是，這些宇宙中微子已經(jīng)在講述一個(gè)故事，尤其是當(dāng)與來(lái)自深空的其他粒子（被稱為伽馬射線的高能光子及超高能宇宙射線）一起時(shí)。物理學(xué)家一直想知道大部分中微子、伽馬射線和宇宙射線來(lái)源于哪里。冰立方團(tuán)隊(duì)成員、瑞典烏普薩拉大學(xué)物理學(xué)家Olga Botner表示，日前，在一次引人注意的會(huì)上，所有這3個(gè)問(wèn)題似乎都有同樣的答案?！拔覀兿嘈女a(chǎn)生宇宙射線的‘引擎’，也產(chǎn)生了伽馬射線和中微子。”她說(shuō)。

如果這樣的話，物理學(xué)家就只有一個(gè)謎題需要解開(kāi)。這也暗示，解決方案將不需要外來(lái)的新粒子物理學(xué)：有關(guān)恒星和星系的傳統(tǒng)天體物理學(xué)就能滿足。

對(duì)于追蹤宇宙奧秘，來(lái)自宇宙的中微子有比其他粒子更大的優(yōu)勢(shì)。帶電的宇宙射線會(huì)在星系磁場(chǎng)中打轉(zhuǎn)；伽馬射線會(huì)與宇宙大爆炸后徘徊不去的宇宙微波背景輻射（CMB）相纏繞。相反，不帶電的中微子能在宇宙中急速?gòu)街钡卮┰健！爸形⒆邮亲罱K的高能‘信使’?！币晾Z伊州芝加哥大學(xué)物理學(xué)家Abigail Vieregg說(shuō)，“如果你能看到，它們是完美的?！?/p>

而這是最困難的部分之一。中微子與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，每秒億萬(wàn)顆中微子刺穿人體卻未被發(fā)現(xiàn)。要辨認(rèn)這些相互作用，探測(cè)器必須非常巨大。因此，冰立方體積達(dá)1立方公里，包含10億噸冰。

這些冰是冰立方的中微子“捕手”。在極少情況下，中微子會(huì)撞到原子，結(jié)果產(chǎn)生一種叫作μ子的粒子以及一種藍(lán)光閃爍特征（切連科夫輻射），探測(cè)器可以捕獲這種閃爍。在冰立方中，中微子在與冰層中的氧原子相撞時(shí)，撞擊會(huì)產(chǎn)生微弱的藍(lán)色閃光，并且科學(xué)家可以根據(jù)藍(lán)光判斷中微子飛入探測(cè)器時(shí)的方向和能量。

但不幸的是，對(duì)于宇宙中微子獵人而言，其他許多粒子也會(huì)在探測(cè)器中產(chǎn)生相似信號(hào)。闖入大氣層的宇宙射線也能產(chǎn)生許多中微子和μ子。而大氣層中微子數(shù)量與宇宙中微子數(shù)量的比是1000：1。

在經(jīng)過(guò)一系列篩選后，從2010年5月到2012年5月，冰立方探測(cè)器研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了28個(gè)能量超過(guò)30萬(wàn)億電子伏（TeV）的中微子，其中兩個(gè)甚至超過(guò)1000TeV。這一能量要高于大多數(shù)大氣層中微子的能量。研究人員估計(jì)，它們中僅有11個(gè)可能是由大氣層中微子和普通宇宙射線偽造的背景事件。而B(niǎo)otner表示，現(xiàn)在收獲的數(shù)字是54個(gè)，其中3個(gè)的能量高于1000 TeV。鹽湖城猶他大學(xué)宇宙射線物理學(xué)家Pierre Sokolsky指出，這些被確定是宇宙中微子。

依然成謎

但如果中微子打開(kāi)了探索宇宙的新窗戶，這扇窗也仍然晦暗。冰立方探測(cè)到的大部分事件像瀑布似的，只能在10~15度的方向追蹤中微子。迄今為止，冰立方團(tuán)隊(duì)的所有物理學(xué)家能說(shuō)的是，宇宙中微子似乎來(lái)自整個(gè)天空。這暗示它們產(chǎn)生于銀河系之外。

至于直接尋找中微子的來(lái)源，到目前為止，冰立方只確定一個(gè)可能的候選者，名為伽馬射線爆發(fā)的恒星爆發(fā)。但冰立方團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙中微子的時(shí)間和其他設(shè)備記錄的伽馬射線暴時(shí)間之間存在相關(guān)性。Botner表示，來(lái)自伽馬射線暴的中微子不超過(guò)1%。

不過(guò)，盡管冰立方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)宇宙中微子的來(lái)源，其數(shù)據(jù)仍揭示了有關(guān)這些粒子的信息。尤其是，這些結(jié)論將宇宙中微子與最神秘的宇宙粒子（最高能的宇宙射線）聯(lián)系在一起。

超高能宇宙射線能將能量壓縮到1億TeV，它們會(huì)以每100年1平方公里的比例撞擊地球。要辨別出它們，物理學(xué)家需要部署大規(guī)模探測(cè)器，例如位于阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺(tái)和位于猶他州東部沙漠的望遠(yuǎn)鏡陣列。但目前仍沒(méi)有人知道這些超高能宇宙射線來(lái)自哪里以及如何獲得如此高的能量。一些理論學(xué)家認(rèn)為，它們來(lái)自大爆炸時(shí)期就存在的大質(zhì)量粒子衰退，或者可能來(lái)源于超新星殘骸等更傳統(tǒng)的天體物理學(xué)“加速器”。

到目前為止，冰立方的數(shù)據(jù)支持天體物理學(xué)版本。原因是這與1998年Eli Waxman（目前供職于以色列魏茲曼科學(xué)院）和稍后的普林斯頓高等研究院的John Bahcall的估計(jì)結(jié)果相吻合。Waxman和Bahcall假設(shè)，宇宙中微子來(lái)自一連串標(biāo)準(zhǔn)粒子相互作用，這個(gè)作用始于超高能質(zhì)子在宇宙中與光子相撞。撞擊會(huì)產(chǎn)生一種帶電介子，它能衰退成1個(gè)μ子和3個(gè)中微子。他們推斷，到達(dá)地球的宇宙中微子的數(shù)量可能依賴于形成超高能宇宙射線的質(zhì)子的數(shù)量。

Botner表示，實(shí)際上，冰立方的測(cè)量結(jié)果與Waxman-Bahcall推斷相匹配。這就意味著，產(chǎn)生超高能宇宙射線的天體物理學(xué)來(lái)源也產(chǎn)生了宇宙中微子。相反，如果宇宙射線和中微子的來(lái)源不同，或來(lái)自特大質(zhì)量粒子衰變，測(cè)量結(jié)果將不會(huì)匹配。

擴(kuò)大規(guī)模

為了測(cè)驗(yàn)這些結(jié)論，物理學(xué)家需要尋找更多中微子，并找到部分來(lái)源。冰立方團(tuán)隊(duì)有更直接的計(jì)劃：將設(shè)備擴(kuò)大到目前體積的10倍。Halzen表示，這樣做可能只需要加倍光傳感器的數(shù)量。他指出，南極冰比預(yù)期的更澄清，因此新傳感器間距可以比目前的間距更大。Halzen說(shuō)：“從現(xiàn)在開(kāi)始的幾年里，我們和探測(cè)器將會(huì)取得哪些成功？那個(gè)問(wèn)題我們可能永遠(yuǎn)無(wú)法回答，我們希望能有一臺(tái)更大的探測(cè)器?！?/p>

今年夏天，冰立方團(tuán)隊(duì)計(jì)劃向美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）申請(qǐng)3億美元的經(jīng)費(fèi)增加額，他們希望能在未來(lái)10年完成擴(kuò)展工作。時(shí)間表并不像聽(tīng)上去那樣悠閑。研究人員在南極的工作時(shí)間只有每年夏天，而且利用專業(yè)水力鉆探工具鉆一個(gè)洞可能需要數(shù)天?！叭绻銖?026年反推，并沒(méi)有剩下多少時(shí)間?！盉otner說(shuō)。確實(shí)，工作人員花費(fèi)了7年時(shí)間才安裝完成現(xiàn)在的冰立方探測(cè)器。

不過(guò)，簡(jiǎn)單地在其表面增加探測(cè)器或許可以提高冰立方的發(fā)展速度。目前，81個(gè)表面探測(cè)器基本覆蓋了冰立方1.2平方公里的范圍，而德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Jan Auffenberg表示，將其擴(kuò)展到150平方公里，將極大提高物理學(xué)家追蹤宇宙中微子來(lái)源的能力。

Waxman預(yù)測(cè)，如果科學(xué)家能擴(kuò)展冰立方，將至少發(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)來(lái)源。這些觀測(cè)將測(cè)驗(yàn)新興的一體化模型?！叭藗儗⒋_定下一步需要做什么?！盬axman說(shuō)。但他指出，一臺(tái)更大的探測(cè)器并不夠。而要找到這些來(lái)源，研究人員可能還需要許多年。但無(wú)論如何，雖然人們尚未到達(dá)中微子天文學(xué)“王國(guó)”，但它最終將觸手可及。（張章）