捕捉高能中微子,粒子天體物理家格陵蘭島冰層下設“陷阱”

2021年07月19日20:36

7月的北極圈正處極晝。在全球最大島嶼格陵蘭島的冰原高處,粒子天體物理學家正在尋找宇宙中最強加速器帶來的“中微子”。

通過在冰面及其下方數十米處放置數百個無線電天線,他們希望以“捕獲”到比以往更高的中微子。“這是一個探索機器,正在尋找更高能量下的第一個中微子。”芝加哥大學的物理學家 Cosmin Deaconu 在格陵蘭島峰頂研究站介紹道。

此前,人類發現的能量最高的粒子來自歐洲核子研究中心的大型強子對撞機,能夠加速到7 TeV(1TeV=1萬億電子伏特)。而在北極探測到的中微子能量是大型強子對撞機粒子能量的1400多倍。圖:歐洲核子研究中心的大型強子對撞機

什麼是中微子?

中微子神秘莫測,被認為是粒子界的“隱士”,它是一種在放射性衰變和核聚變中產生的粒子。

中微子不帶電荷,幾乎沒有質量,而且與其他物質之間的相互作用極其微弱。因此,一顆高能中微子可以穿越整整一光年厚的鉛層,而幾乎不會打擾其中任何一個原子,形成了能量不守恒的假象。

20世紀20年代末,科學家在研究β衰變(即原子核輻射出電子轉變成另一種核)時,發現這個過程中有一部分能量不知去向。奧地利物理學家泡利對能量守恒定律深信不疑,於1930年提出:能量虧損的原因是有一種不帶電的、質量極小的新粒子帶走了缺失的能量和動量,由於與其他物質之間的相互作用極弱,所以無法被探測到。他把這種未知的粒子叫做“小中子”,就是現在說的“中微子”,意思是微型的中性粒子。

1956年,美國物理學家萊茵斯在一個核反應堆發射的中微子洪流中,通過中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的頻閃首次證實了中微子的存在。他也因為這項成果在1995年獲得了諾貝爾物理學獎。

中微子有何作用?

地球上各個地方的探測器偶爾會記錄到超高能 (UHE) 宇宙射線的到來。這些原子核以極高的速度撞擊大氣層,導致單個粒子包含的能量和一個擊球良好的網球一樣多。研究人員想要查明它們的來源,但由於原子核帶電,太空中的磁場扭曲了它們的路徑,使它們的起源模糊不清。理論認為,當超高能 (UHE) 宇宙射線從源頭髮出,在碰撞來自宇宙微波背景的光子時,會產生所謂的“宇宙中微子”。由於不帶電,這些中微子像箭一樣筆直地飛向地球。圖:耀變體將中微子和伽馬射線射向地球

這就是中微子的作用所在:它是除了電磁波外,攜帶著宇宙中核反應信息的另一位信使。天體的核反應會發射出中微子,它們以光速穿越星系,且不與遍佈宇宙的電磁波輻射發生相互作用,星系的磁場也不會對它們產生影響,其攜帶的最原始的信息得以被保留。如此特殊的性質使中微子可用於研究深空中所發生的一些天文現象。因此,自引力波之後,人類探索宇宙的下一個重大發現被認為或許就藏在宇宙中微子中。

如何探測中微子?

中微子難以捉摸的特性也導致了中微子的探測極端困難。眾所周知,中微子幾乎不會與物質相互作用。這使得此時此刻,有數萬億個中微子穿透讀者的身體,只有極少數的中微子會與身體里的原子發生相互作用,從而暴露出它們的行蹤。因此,必須監測大量物質才能捕獲少量與原子碰撞的中微子。

此類最大的探測器是位於南極洲的“冰立方”(IceCube)中微子天文台。其位於南極洲約2.4公里深的冰層下1立方公里的冰塊內,由86根裝備了傳感器的電纜所組成,每根電纜包含有60個光學傳感器,這5160個傳感器的使命就是觀察冰層里中微子與原子碰撞產生的閃光。

傳統的中微子探測器,比如位於日本的“超級神岡(super-kamiokande)”探測器是水罐,建立在廢棄的礦井之下。而“冰立方”中微子天文台的大小為超級神岡的2萬倍,但成本僅為其2倍。南極“冰立方”中微子天文台

南極“冰立方”中微子天文台

自 2010 年竣工以來,“冰立方”已探測到許多深空中微子,但只有少數幾個被稱為Bert、Ernie和Big Bird的深空中微子能量接近 10 拍電子伏 (1PeV=1000TeV,1000萬億電子伏特)。“這是宇宙中微子的預期能量” ,烏普薩拉大學教授、“冰立方”團隊成員的Olga Botner說,“為了在合理的時間內探測到能量更高的中微子,我們需要監測更大體積的冰。”

中微子探測的最新進展

還有一種探測方法是利用中微子撞擊產生的另一個信號:無線電波脈衝。由於波在冰內傳播的距離可達1公里,所以在靠近冰面的地方,分佈廣泛的無線電天線陣列可以監測到更大體積的冰,且成本比“冰立方”更低。

由芝加哥大學、布魯塞爾自由大學和德國加速器中心 DESY領導的格陵蘭島射電中微子天文台 (RNO-G) 是第一個協同測試該概念的項目。到 2023 年建成後,RNO-G將擁有 35 個站點,每個站點包含24個天線,總面積達 40 平方公里。此前,該團隊在格陵蘭島冰原頂端美國運營的峰頂研究站附近安裝了第一個站點,並已轉移到第二個站點。

團隊希望捕獲的深空中微子被認為發源於猛烈的宇宙“引擎”——最有可能的能量來源是吞噬著周圍星系物質的超大質量黑洞。“冰立方”已經追蹤到的兩個能量低於 Bert、Ernie 和 Big Bird 的深空中微子便來自具有大質量黑洞的星系——這表明科學家的研究在正確的軌道上。但科學家還需要更多能量更高的中微子來證實這一聯繫。

除了確定UHE 宇宙射線的來源之外,研究人員還希望中微子能顯示出這些粒子是怎麼來的。目前,探測UHE宇宙射線的兩種主要儀器在構成上有所不同。來自猶他州望遠鏡陣列的數據推測它們完全由質子演變的,而阿根廷的皮埃爾·奧格天文台表示質子中混合了較重的原子核。由這些粒子產生的中微子的能譜應該根據它們的組成而有所不同——這反過來又可以為它們的加速方式和加速位置提供線索。

項目負責人之一、弗里德里希亞曆山大大學埃爾蘭根 - 紐倫堡分校的Anna Nelles 表示,RNO-G 可能會捕獲足夠多的中微子,從而揭示這些明顯的能量差異。她估計 RNO-G 每年可能捕獲多達3個宇宙中微子。但是,“如果不走運的話,探測到的數量可能會非常少,以至於只探測到一個可能就需要數萬年。”

即使 RNO-G 被證明是一個等待遊戲,它同時也是一個更大的無線電陣列測試平台,分佈超過 500 平方公里,計劃作為“冰立方”升級的一部分。如果宇宙中微子存在,第二代“冰立方”會找到它們,並解決它們是什麼的問題。

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