一臺光傳感器從鉆孔進入地下,，開始總計2500米的旅程,，成為南極洲“冰立方”中微子探測器的一部分

中微子是弱相互作用的亞原子粒子,，它們能夠遠距離穿越太空，甚至能穿透地球,?！氨⒎健碧綔y到的高能中微子的能量大約在100 GeV（1吉電子伏特等于109電子伏特，約等于質(zhì)子的靜質(zhì)量）以上,。當宇宙射線——來自太空的高能質(zhì)子或重核——與物質(zhì)或光發(fā)生相互作用時,，就會產(chǎn)生中微子。這個過程可能發(fā)生在宇宙射線產(chǎn)生的地方,，也可能發(fā)生在宇宙射線稍后進入地球大氣層時,，宇宙射線與氣體分子碰撞，釋放出大量基本粒子,。大氣層中產(chǎn)生的中微子數(shù)量比宇宙的中微子多出了幾百倍,。

許多物理學謎題有待中微子天文學予以解決，其中之一就是極高能宇宙射線的來源,。1962年,，位于新墨西哥州的“火山牧場陣列”（Volcano Ranch array）探測到大量粒子簇射，而這些粒子來自沖進高空大氣層的一道宇宙射線,，宇宙射線帶著1011GeV（相當于一次網(wǎng)球發(fā)球的能量被塞入一個原子核中）以上的動能,。自從那時起，人類已經(jīng)探測到幾十次類似的事件。但是在50年之后,，物理學家仍然不知道大自然是如何讓基本粒子加速到如此高的能量,。這些能量遠遠超出了地球上的粒子加速器（譬如瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強子對撞機（LHC））的范圍；模仿它們需要有一個與地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道一樣大的環(huán),。

對于中微子本身,，也有很多我們需要查明的情況：它們的精確質(zhì)量、它們?nèi)绾螐囊环N形態(tài)（味）變換成另一種形態(tài),、預測的其他中微子形態(tài)（譬如惰性中微子）是否存在,。中微子也能夠幫助尋找暗物質(zhì)，暗物質(zhì)是一種看不見的物質(zhì),，參與了控制恒星,、氣體和星系的運動。衰變或湮滅中的暗物質(zhì)能夠產(chǎn)生高能中微子,，中微子望遠鏡能觀測到這些中微子,。

中微子的弱相互作用的不利一面在于：需要一臺極為龐大的探測器以捕捉足夠多的粒子，這樣就可以區(qū)分來自太空的中微子（少量）和來自地球大氣層的中微子（大量）,?！氨⒎健笔悄壳斑\行中的最大型的中微子探測器陣列，但它仍然太小,，數(shù)據(jù)收集太過緩慢,，難以在下個十年里取得重要突破。

要探索宇宙中這個最大能量的過程,，規(guī)模更大的中微子觀測臺是必不可少的,，未來的中微子觀測臺的體積會比“冰立方”的體積大出十倍到一百倍。確定不同類型的中微子的質(zhì)量,，研究中微子如何與地球內(nèi)的物質(zhì)相互作用,，這樣就能區(qū)分或排除某些額外空間維度的模型，闡明高能核物理的關(guān)鍵議題,，譬如重核內(nèi)膠子（在夸克之間傳遞強作用力）的密度,。 

中微子望遠鏡的設(shè)計方案已有初步設(shè)想，能在五到十年內(nèi)建立并運行起來——前提是天體物理,、粒子物理和核物理的同仁能夠團結(jié)一致,、共同資助。由若干中微子觀測站構(gòu)成的互補平臺將測試物理性質(zhì),，其能量超出LHC,，花費只是LHC經(jīng)費的部分：幾千萬到幾億美元而已，而不會像LHC那樣耗費幾百億美元,。

有好幾種方法能夠區(qū)分來自太空的中微子和來自地球大氣層的中微子,。最高能量的中微子事件更有可能是來自外太空的中微子。來自地球大氣層的中微子會伴隨有粒子簇射,，這個現(xiàn)象可以用冰層表面上的探測器看到,。在這些簇射中產(chǎn)生的短壽命亞原子粒子——U介子——比中微子的數(shù)量多了50萬倍，也能夠穿透冰層,；因此伴隨著從天空向下行進的U介子的信號大概來源于大氣層,。向上行進（穿過地球）或源自于陣列體量內(nèi)的某個點的光跡的極高能事件可能來自于外太空,。

自從2010年起,，“冰立方”已經(jīng)觀察到大約60個可能來自于外太空的中微子目標。而其他實驗裝備因為規(guī)模太小而無法探測到這類中微子,。這些裝備包括：“心宿二”（ANTARES）,、一組錨定在法國馬賽外的地中海海床上的探測器陣列，另一套相似的陣列安裝在俄羅斯的貝加爾湖中,。它們對地外中微子的探測率和預期中一樣高,，假如世上存在更多的中微子，它們會耗盡宇宙射線的大部分能量,。地外中微子的來源應(yīng)該很容易找到,。但事實是我們尚未找到，這就是一個越來越大的謎團,。

至今為止,，中微子看起來都不像是來自于天空中的特定地址，盡管有好幾個研究團體暗示說,，中微子與銀河平面有著微弱的聯(lián)系,。分析也不贊成一度認為有可能是加速的高能量的宇宙射線和中微子的多個地點，其中包括伽瑪射線暴（GRBs）和活動星系核（AGNs）,。

伽瑪射線暴是指強勁的伽瑪射線在短時間內(nèi)突然增強,，并被衛(wèi)星接收到。學界認為它們是從黑洞與中子星或其他黑洞合并過程中發(fā)出的（產(chǎn)生迅速增強的伽瑪射線,，持續(xù)時間不到2秒）,；或者來自于超大質(zhì)量恒星較慢的坍縮（持續(xù)幾秒或幾分鐘）,。粒子因為爆炸而加速。在“冰立方”科學家考察的八百多次伽瑪射線暴中,，沒有一次伴隨有中微子爆發(fā),，暗示在“冰立方”觀測到的地外中微子中，由伽瑪射線暴生成的最多占1%,。

活動星系核是指中心擁有超大質(zhì)量黑洞和不斷吸積氣體的星系,。粒子可能在黑洞噴出的物質(zhì)噴流中加速到相對論速度。但“冰立方”沒有發(fā)現(xiàn)高能中微子與向地球噴流的活動星系之間的聯(lián)系,，暗示活動星系最多能解釋30%的中微子來源,。

其他不太可能是中微子來源的包括星暴星系、磁星和超新星遺跡,。星暴星系包含了恒星形成速率極高的塵埃狀區(qū)域,；磁星是被強磁場圍繞的中子星，會在幾天時間內(nèi)產(chǎn)生強有力的中微子爆發(fā)（這些本應(yīng)該已經(jīng)被“冰立方”觀測到）,；超新星遺跡的磁場太弱,，從而無法解釋高能量的中微子，但超新星遺跡被認為是銀河系里看到的大多數(shù)低能量（最高約為1016電子伏特）宇宙射線產(chǎn)生的原因,。

更加異乎尋常的可能性仍然尚未經(jīng)過檢驗：迄今未觀測到超重暗物質(zhì)粒子湮滅后產(chǎn)生高能中微子,，也未觀測到宇宙“弦”（大爆炸留下的時空體中的不連續(xù)處）的衰變。

“冰立方”也測試過另外的物理學理論,。但冰立方僅限于中微子從一種味到另一種味的變換方式,，為暗物質(zhì)的性質(zhì)和高能空氣簇射的成分設(shè)定限度。

首先,，大型光學切連科夫望遠鏡可以部署在冰、湖泊或海洋里面,，類似于“冰立方”或“心宿二”,，但是擁有更高效的光學傳感器和更便宜的技術(shù)。多個研究團體已經(jīng)為這些概念研發(fā)出先進設(shè)計方案,，但缺乏資金,。到21世紀20年代早期，這些探測器就能建造和運行,。對于“冰立方”而言,，技術(shù)改進措施包括高效的鉆井技術(shù)和傳感器,，這樣的傳感器適合鉆井成本更低的更狹窄鉆孔。

不同的地點有不同的優(yōu)勢,。南極洲能提供大片清潔,、致密的冰塊和基礎(chǔ)設(shè)施。但部署在北半球的陣列(比方說在地中海中)能更直接觀察來自銀河系中央,、穿過地球的地外中微子,，不用考慮來自大氣層、向下行進的中微子,。而南半球的地點就必須考慮,。貝加爾湖是有吸引力的地點，其原因如下：淡水里沒有鉀-40,，生物發(fā)光性也更低（二者會增強背景光,，能擾亂粒子軌跡的重建）；在冬季時水面會結(jié)冰,，使得建造容易,。

第二種方法要求捕捉能量超過108GeV的中微子。這樣的高能中微子很罕見,，“冰立方”從沒有觀測到,。為了捕捉到足夠多的相關(guān)事件，需要有一組體積至少為100立方千米的陣列,。因為切連科夫輻射的光在冰或水中只能行進幾十米,，所以覆蓋這么大的體積的話,，會需要數(shù)百萬個感應(yīng)器,，耗資巨大。

更加切合實際的做法是：尋找中微子與南極洲冰原發(fā)生相互作用時的電波發(fā)射,。當中微子撞擊上冰塊中的原子核時,，會產(chǎn)生帶電粒子簇射，發(fā)出5 000萬赫茲到10億赫茲的頻率范圍的無線電波和可見光,。無線電波能在冰塊中傳播幾千米,，因此容積超過100立方千米的無線電感應(yīng)陣列的儀器可以數(shù)量很少，差不多是每立方千米一個感應(yīng)器就夠了,。能量超過108GeV的中微子發(fā)出的無線電脈沖應(yīng)該足夠強勁,，冰層的天線可以接收到。兩支國際研究團隊正在建造原型機,，他們已經(jīng)尋找資金進行擴展,。（我本人參與了這個ARIANNA項目。）

首先,，應(yīng)該資助和建造“冰立方”和“心宿二”的一個或兩個后繼者,。升級版的“冰立方”實驗（冰立方二代）和計劃中的歐洲項目“立方千米中微子望遠鏡”（KM3NeT)都是有力的候選對象。假如有必要的話,，研究團隊應(yīng)該協(xié)調(diào)“冰立方”,、KM3NeT和計劃中的俄羅斯陣列“10億噸容量探測器”（Gigaton Volume Detector），探索如何將這些合作項目予以合并,，專注于一套大型探測器,，建設(shè)在最具成本效益的地點。應(yīng)該尋求從更廣泛的機構(gòu)獲取資金支持,，其中包括專注于粒子物理和核物理的機構(gòu),。

其次，至少有一項100立方千米的探測器陣列需要著手啟動,。因為這樣的項目只能在南極洲完成,，因此美國國家科學基金會有著無可推卸的責任，畢竟美國國家科學基金會是南極洲研究的最大贊助者,，從現(xiàn)實層面來說,，它也是唯一有著充足后勤支援，能夠完成這樣科研項目的團體,。許多非美國的研究團隊對此感興趣,，應(yīng)該要建立起彼此間的合作，在國際間均攤費用,。一旦證實有效,，這樣的陣列能夠在2030年左右擴充至1 000立方千米，監(jiān)控極高能量的宇宙,。

通過發(fā)現(xiàn)極高能中微子和宇宙射線的地外來源,，或者排除其余的模型，下一代的中微子觀測臺一定會取得新的發(fā)現(xiàn),。