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一個光學(xué)傳感器深入南極冰面之下2500米,，它是冰立方中微子探測器的一部分 深科技導(dǎo)讀：今天凌晨，LIGO正式宣布第二次探測到引力波,。愛因斯坦100年前的預(yù)言終于得到了最有力的實驗驗證。其實引力波無處不在,，但是就目前的檢測能力,，只有當兩個大型黑洞（太陽質(zhì)量的幾倍甚至十幾倍）合并這樣的超級“暴力”事件發(fā)生時，人類才能捕捉到一些信息,。其實每個高能天文現(xiàn)象（類似超新星爆發(fā),，黑洞合并等）產(chǎn)生引力波的同時,，還會產(chǎn)生另一種極小顆粒——中微子（Neutrino）,。 中微子是一種比原子小的粒子,，因此被稱作亞原子粒子，它和引力波一樣,，都攜帶了許多重要信息,。因為中微子的體積極小，很難與其他物質(zhì)粒子發(fā)生相互作用,，因此可以穿越很遠的距離,，而檢測它們同引力波相比，就相對“簡單”多了（再次強調(diào),，只是和檢測引力波相比）,，所以在1956年人類就直接觀測到了中微子，而來自太陽系外的高能中微子也被人們與2013年成功捕獲,。 DT君在不久前報道了目前地球上的五個最大最酷炫的的中微子探測器,，其中就有2013年捕獲高能中微子的最大功臣——南極冰立方（IceCube）。宇宙中微子攜帶的信息可以幫助我們揭開很多宇宙之謎,，其中包括了高維空間猜想等最前沿的問題,。然而目前的儀器還不足以“捕捉”到足夠數(shù)量的中微子幫助大家解開這些謎團，因此本文的作者——斯潘塞·開爾文（Spencer Klein）呼吁建造更大的中微子望遠鏡陣列以更好更多地捕捉宇宙中高能天文現(xiàn)象發(fā)射的中微子,。（開爾文是勞倫斯·伯克利國家實驗室原子科學(xué)分部的高級科學(xué)家,，也是加州伯克利的研究科學(xué)家。） 自引力波之后,，人類探索宇宙的下一個重大發(fā)現(xiàn)也許就藏在宇宙中微子中,。 中微子天文學(xué)即將迎來爆發(fā)期。自2010年以來,，南極冰立方（IceCube）實驗——5160個籃球大小的光傳感器分布在1立方公里冰中——已經(jīng)探測到了幾十個來自宇宙深處的高能中微子,。盡管這些發(fā)現(xiàn)是令人驚喜的，但是也引發(fā)了更多的疑問,，因為觀察到的中微子數(shù)目太少,，以至于難以對它們的起源和物理特性做出可靠的推論。為了獲得關(guān)于中微子的更多信息,，需要更強大的中微子探測器,。 中微子是一種亞原子粒子,，同其他物質(zhì)粒子很難發(fā)生相互作用,，因此能夠以極低的能量損失穿越極遠的距離甚至穿過整個地球。冰立方旨在探測其中能量高于100G電子伏的高能中微子,。
當宇宙射線（即來自宇宙的高能質(zhì)子和重原子核）撞擊物質(zhì)或光子時，就會產(chǎn)生高能中微子,。因此地球上能被檢測到的中微子分為兩類,，一類是在宇宙射線產(chǎn)生時釋放的，另一類則在當宇宙射線同地球大氣分子碰撞時產(chǎn)生出,。后者比前者的數(shù)量要多了幾百倍,。 許多物理學(xué)上的未解之謎可望通過中微子觀測獲得解答。謎團之一是超高能宇宙射線的來源,。1962年,，新墨西哥州火山農(nóng)場觀測陣列偵測到數(shù)量巨大的粒子。這些粒子是能量超過1011G電子伏的宇宙射線和地球上層大氣碰撞產(chǎn)生的,，其能量相當于一個原子核擁有了一個飛行中的網(wǎng)球的動能,。從那之后，又有多次高能宇宙射線被探測到,。 但是50年來,，物理學(xué)家仍然不知道是什么物理機制能夠?qū)⒒玖Ｗ蛹铀俚綋碛羞@么高的動能。它們的動能遠遠超過地球上最大的粒子加速器——瑞士日內(nèi)瓦大型強子對撞機——所能賦予粒子的動能,。如果要求日內(nèi)瓦強子對撞機產(chǎn)生動能如此高的粒子,，那么對撞機的加速軌道就要和地球繞著太陽的運行軌道一樣長。 關(guān)于中微子自身的性質(zhì)也有很多未解之謎：它的精確質(zhì)量是多少,？它如何從一種亞型變換到另一種亞型？理論預(yù)言但尚未被觀測到的其他亞型是否存在,？等等,。中微子還能幫助我們尋找暗物質(zhì)。雖然暗物質(zhì)不能被肉眼看到,，但它在宇宙,、行星和星際氣體的運動中扮演重要角色。暗物質(zhì)的衰變能產(chǎn)生高能中微子,，這也是可以被探測到的,。 中微子很難跟其他物質(zhì)發(fā)生作用，因此需要非常大的探測器來區(qū)分來自太空的少數(shù)粒子和更多的來自地球大氣的粒子,。冰立方是目前投入觀測的最大中微子探測陣列,，但是它還是太小，數(shù)據(jù)采集太慢,，要想取得重大成果,，估計得等10年。 更大的中微子探測器——體積是冰立方的10-100倍——對于觀測宇宙中的高能現(xiàn)象非常重要,。確定不同中微子的質(zhì)量,，并確定中微子與地球物質(zhì)的作用方式可以證實或證偽關(guān)于高維空間的猜想，并回答高能核物理學(xué)關(guān)心的問題：重核中的膠子濃度,。 中微子探測器的設(shè)計正在進行中,，并可望在五年內(nèi)建成并投入運行——這有賴于天文學(xué)、粒子學(xué)和核物理學(xué)諸領(lǐng)域的合作和聯(lián)合投資,。多個中微子探測器對高能物理的推動作用,，能夠以大型強子對撞機幾分之一的花費——10億美元而不是幾十億美元——獲得更多的科研成果。 問題多于答案 開爾文在2004年就投入了冰立方的籌備工作,，2010年冰立方在南極投入運行。它觀測藍光：高能中微子與水或冰中的原子核撞擊產(chǎn)生的帶電粒子發(fā)出的藍光,。計算機處理海量數(shù)據(jù),，尋找自空間某個點發(fā)射的一長串粒子的蹤跡。冰立方每年可以發(fā)現(xiàn)50000個疑似中微子,，但是只有1%來自太空,。 有幾種方法可以把來自太空的中微子和來自大氣的中微子區(qū)分開來。最大的高能現(xiàn)象幾乎肯定發(fā)生在宇宙,。大氣產(chǎn)生的中微子總是伴隨著一大批其他粒子一起到來,，冰面上的探測器可以看到伴生粒子。μ介子是其中一種短壽命的亞原子伴生粒子,，它也可穿透冰層,，數(shù)量是中微子的50萬倍。因此隨著μ介子一起到達的中微子信號很可能是在大氣中產(chǎn)生的,，而穿過整個地球從冰立方的底部出現(xiàn)并被探測到的中微子和在冰立方內(nèi)的某個空間點開始被探測到的中微子可能來自太空,。 自從2010年，冰立方已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60個疑似宇宙中微子,。其他中微子探測器,，例如ANTARES——法國地中海沿岸馬賽外海海底布設(shè)的傳感器陣列——和俄羅斯貝加爾湖底的類似探測器，都因為體積太小沒有探測到疑似宇宙中微子,。在之前的預(yù)期中,，發(fā)現(xiàn)宇宙中微子應(yīng)該更加容易，因為中微子的預(yù)期數(shù)量遠比今天觀測到的數(shù)量多,。宇宙中微子觀測數(shù)目遠少于預(yù)期令我們感到困惑,。 目前并未確定中微子來源于宇宙中的何處,，盡管幾個研究團隊提出，銀河平面有可能是中微子的來源,。諸如γ射線爆發(fā)源和星系中心之類的宇宙高能活動區(qū)域之前被人為可能產(chǎn)生高能宇宙射線和中微子,，現(xiàn)在已經(jīng)被分析基本排除,。 γ射線爆發(fā)是短促而強大的γ射線流，可以被衛(wèi)星觀測,。γ射線爆發(fā)被認為是來自黑洞吞噬中子星或另一個黑洞（產(chǎn)生不到2秒的爆發(fā)），也可能來自超新星的坍縮過程（產(chǎn)生長達幾分鐘的爆發(fā)）,。粒子在這些高能過程中被加速,。冰立方科學(xué)家已經(jīng)分析了超過800個γ射線爆發(fā)源,，沒有一次γ射線爆發(fā)伴隨著中微子爆發(fā)，因此γ射線爆發(fā)最多貢獻了冰立方觀測到的宇宙中微子的1%,。 AGN是星系中心的巨大黑洞，它們會加速周圍氣體,，粒子能被加速到接近光速而甩出。但是冰立方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)高能中微子流和星系中心發(fā)射的,，指向地球的噴射粒子流之間的關(guān)系,，因此星系中心最多貢獻了30%的宇宙中微子,。 其他未知中微子源包括星暴星系（starburst galaxies），該星系中有孕育恒星的塵埃密集區(qū),，該區(qū)域可能會被超新星爆發(fā)擾動；磁星,，它們是被強磁場包繞的中子星，能夠連續(xù)幾天以高速發(fā)出中微子,，應(yīng)該能夠被冰立方看到,；超新星遺跡,，它們的磁場不足以解釋大多數(shù)高能中微子，但是它們?nèi)员徽J為是多數(shù)銀河弱宇宙射線（低于1016電子伏）的來源,。 更多的猜想尚待驗證：目前尚未觀測到的超大暗物質(zhì)粒子，它吸收和釋放高能中微子；宇宙弦,，它是時空的不連續(xù)點，來自宇宙大爆炸,。 冰立方還檢驗了多個可能的物理理論,。這些物理理論試圖解釋中微子從一種亞型變成另一種的規(guī)律，限定了暗物質(zhì)的特性,，并預(yù)言了來自大氣的高能粒子流的包括哪些粒子,。 下一代探測器 今后有2個發(fā)展方向：增大光學(xué)陣列來收集更多中微子，或發(fā)現(xiàn)其他的方法來更加精確地定位來自宇宙的中微子,。這些方法適用于不同能級的中微子,，因此都值得獲得支持。 首先,，更大的基于契倫科夫輻射的探測器可以被置于冰層,、湖水、近?；蜻h洋——類似冰立方和ANTARES但是配備更有效的光傳感器和性價比更高的配套技術(shù),。幾個研究團隊已經(jīng)提出了升級版設(shè)計，但缺乏資金支持,。這些探測器可以在2020年左右建成并投入運行,。對于冰立方，技術(shù)升級包括更有效的鉆井技術(shù)和能夠置于更窄冰孔中的傳感器,。窄冰孔的鉆孔成本更低。 不同的地點有不同的好處,。南極洲可以提供大塊的潔凈冰層,，但是設(shè)置在北半球，比如地中海的探測器可以更直接地觀測來自銀河中心的中微子,，無需費力將宇宙中微子和大氣產(chǎn)生的中微子區(qū)分開來,，但南半球的探測器就必須做這項工作。貝加爾湖也不錯：水中鉀-40同位素含量很低,，發(fā)光生物很少,，它們都會干擾光傳感器。此外,，湖面還會在冬天結(jié)冰，這讓建造工作更加方便。 第2個方案需要捕捉動能高達108G電子伏的中微子。能量這么高的中微子并不常見,，連冰立方也沒見到過。它們需要有體積不小于100千米的探測器才能有效捕捉,。因為契倫科夫輻射產(chǎn)生的光只能在冰或水中傳播幾十米,，因此需要幾百萬個探測器，價格非常昂貴,。 更可行的方法是探測中微子與南極冰層作用產(chǎn)生的無線電波,。中微子撞擊冰原子核時，它們產(chǎn)生一批以50M赫茲到1G赫茲頻率輻射電磁波的次生帶電粒子,。電磁波能穿透幾千米的冰層。因此電磁波傳感陣列可以需要更少的傳感器,，大約1立方公里只需要1個。動能達到108G電子伏的中微子產(chǎn)生的電磁波應(yīng)該足以被冰層中的天線捕捉到,。2個國際合作團隊已經(jīng)建立了該方案的模型，并尋求資金支持,。ARIANNA是其中一個方案,，開爾文是該項目成員。 待批項目 隨著多個經(jīng)濟上可行的下一代探測器設(shè)計已經(jīng)成熟,，下一步需要啟動建造并投資,。美國國家自然科學(xué)基金和其他資助單位有限的預(yù)算值是推進的主要障礙。中微子天文學(xué)的支持者是粒子物理學(xué),、核物理學(xué)和天體物理學(xué)方面的科學(xué)家們,。他們正在游說投資來實現(xiàn)這些項目。 首先,，1-2個冰立方和ANTARES的后繼探測器應(yīng)該被立項建造,。升級版冰立方(IceCub-Gen2)和歐洲的立方公里中微子探測器（KM3NeT）都是不錯的候選對象,。如果必要的話，冰立方,、立方公里中微子探測器和俄羅斯10億噸探測器的研究團隊需要合作，在最有效的地點建立一個單獨的大探測器,。資金支持可以從粒子和核物理學(xué)界的支持方獲得,。 KM3NeT陣列中的光學(xué)傳感器 其次，至少1個100千米的無線電波探測陣列需要建立,。這個項目只能在南極建立,，因此只能依靠美國國家科學(xué)基金會的資助，它是南極科學(xué)研究的最大資助人，并且是唯一可能推動如此大項目的總體方,。許多非美國的研究團隊也對無線電陣列感興趣，因此可以尋求國際合作,。一旦該項目被批準，可以考慮到2030年將其擴展到1000千米,，以檢測超高能宇宙現(xiàn)象。 下一代中微子探測器有望通過發(fā)現(xiàn)超高能中微子,、宇宙射線源和驗證物理模型，帶來新的重大發(fā)現(xiàn),。 參考材料： 1. Halzen, F. & Klein, S. R, Phys. Today 61N5, 29–35(2008). 2. Aartsen, M. G. et al. Phys. Rev. Lett. 111, 021103(2013). 3. IceCube Collaboration. Preprint at https:///abs/1510.05223 (2015). 4. Bahcall, J. & Waxman, E. Phys. Rev. D 64, 023002(2001). 5. IceCube Collaboration. Preprint at https:///abs/1510.05222 (2015). 6. Aartsen, M. G. et al. Astrophys. J. 805, L5–L12(2015). 7. DeYoung, T. EPJ Web Conf. 116, 11004 (2016). 8. Bechtol, K. et al. Preprint at https:///abs/1511.00688 (2015). 9. Chakraborty, S. & Izaguirre, I. Phys. Lett. B 745,35–39 (2015). 10. Avrorin, A. D. et al. Preprint at http:///abs/1511.02324 (2015). “DeepTech深科技”是由麻省理工科技評論創(chuàng)建的一個新科技內(nèi)容品牌。更多內(nèi)容請關(guān)注官方微信公眾號:mit-tr |
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