捕捉宇宙的“幽灵粒子”

捕捉宇宙的“幽灵粒子”

作者：海上云

在南极，沉积着无边无际、几千米深的冰雪，这些冰雪经过百万年的挤压，非常纯澈晶莹。

看到此情此景，你或许想吟诗一首：南极风光，千里冰封，万里雪飘。

而科学家想到的是，利用这个天然的冰天雪地，布下天罗地网，来捕获“幽灵粒子”中微子——南极风光，千里冰封，幽灵粒子，无处可逃。

那么，什么是中微子？为什么要去南极捕获中微子？南极又有什么得天独厚的条件呢？

▲　南极的“冰立方”正在等待着高能中微子与它的偶遇

“幽灵粒子”中微子

在基本粒子里面，有一种很特别的粒子叫中微子（neutrino）。我们用“中”、“微”“独”“快”“变”来描述它：

·中：它是中性的（这是neutr这个词根的意思），既不带正电，也不带负电，所以不会受到电磁场的影响。

·微：它轻得几乎没有质量，这是ino（小）这个意大利语词根的意思。

·独：它可以畅通无阻地穿过所有物质，包括太阳和地球都无法阻挡它或者改变它的方向。它好似一个特立独行的怪侠，和我们这个可见的世界，几乎不发生任何相互作用。

·快：它快得接近光。

·变：它有三种不同的形态——电中微子、μ中微子和τ中微子。有趣的是，这三种形态是可以互相改变的——它在空中是一个形态，等穿过地球却可能变成另一个形态。

▲　中微子有三种，如果你拿着一个1克质量的小钢珠，再从每种中微子里面拿出一个，那么三个中微子的质量之和与这个小钢珠质量相比，约等于这个小钢珠与太阳的质量之比

这种行为诡异的粒子，我们又叫它“幽灵粒子”。

在所有的基本粒子中，人们对中微子了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都有中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（β衰变），甚至是我们的人体也产生中微子！

不过，科学家想研究的是来自太空的高能中微子，这些高能中微子身上可隐藏着很多宇宙的秘密：中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源和演化有关。所以，对于物理学家来说，任何有关中微子的线索都可谓价值连城。

那么，这些带着宇宙奥秘的高能中微子来自哪里呢？恒星的爆炸、黑洞对天体的吞噬等极其剧烈的宇宙现象是人们找到的答案。比如，科学家之前探测到了来自超新星的高能中微子。当恒星内部核燃料消耗殆尽时，它就会变得不稳定，并最终爆炸（也叫超新星爆发）。爆炸会激发一系列的核反应，这些核反应就会产生大量的高能中微子。还有一种高能中微子是来自宇宙线与宇宙微波辐射背景的光子的相互作用。

寻找那一缕蓝光

虽然中微子数量众多，但却很难被检测到。这是因为它不带电，几乎不和其他物质相互作用。这里用了“几乎”一词，说明它仍然可能会和其他物质起作用，只是可能性非常小。在100亿个中微子中，只有一个会与物质发生作用，一百亿分之一的概率，比抽中超级六合彩还要难。

▲　从核反应堆里的水箱中发出来的蓝光，光在水中的传播会变慢（真空速度的75％），而粒子在水中的移动速度超过光速，所以就发出这种蓝光

那么，怎么能捕获到百亿分之一的那种“偶遇”呢？

科学家发现中微子与原子相撞，会产生带电粒子，当它的传播速度超过相同环境（介质）中的光速时，就会发出蓝色光束，也被称作“切伦科夫辐射”。探测器可以捕获这束蓝光，进而推测出引发反应的中微子的进入方向、能量，可能还能获知它的形态。因此，寻找这一缕蓝光，就成了中微子研究者梦寐以求的目标了。

要想捕获中微子和原子“偶遇”时那一缕微弱的蓝光？科学家认为需要几个条件：

第一是“透”，需要透明的媒介。

第二是“黑”，需要在漆黑的空间里。

第三是“大”，需要容器非常大，以增加中微子与原子相撞的机会，大大提高观测成功率。

而满足这个条件的答案有很多，比如日本超级神冈探测器、加拿大萨德伯里中微子观测站等。但要是说最佳选址，无疑是在遥远的南极，这里的环境甚至可以更透、更黑、更大：

·全球大部分冰里都含有气泡或其他杂质，而南极冰经过千万年的挤压，基本上完全是由水冰组成，透明度极高，所以足够透。

·南极冰反射了太阳光，在冰下几千米的地方，见不到一丝阳光，所以足够黑。

▲　超新星爆发产生高能中微子，中微子能够从北极进入并穿过地球，被南极的“冰立方”捕捉到

·南极冰，幅员广阔，取之不尽用之不竭，所以足够大。

·同时，南极冰高密度压缩，这意味着它包含更多原子，因此会大大增加中微子撞击的机会。

南极冰立方“冰糖葫芦阵”

2011年，科学家异想“冰”开，利用南极得天独厚的地理和自然条件，在阿蒙森·史考特南极站附近2.44千米深的南极冻原下，建立全球最大的中微子望远镜——“冰立方”中微子望远镜（Ice Cube neutrino telescope）。

“冰立方”是以大自然的冰原为“容器”，长1千米、宽1千米、深2.5千米的六棱柱形的巨大冰块，“冰立方”望远镜究竟有多大？纽约的帝国大厦，加上芝加哥的西尔斯大厦，再加上上海的世界金融中心，都远远没有它大。只要科学家愿意，它还可以“扩容”到方圆几十千米呢。

天苍苍，雪茫茫，冰原之下冰立方。

进入“冰立方”阵列，从1.5千米深处开始，你可以发现冰洞里有很多“精灵球”。它们就是科学家用来抓捕“隐形”中微子“怪兽”的球型传感器，称为数字化光模块（DOM），里面是探测光信号的发光二极管LED、光电倍增管和一个单板计算机。从1.5千米处才开始安装“精灵球”，是因为离冰面1.5千米以内可能还有光线透入，过了1.5千米才“足够黑”。

60个“精灵球”被一个个挂在电缆上，像“冰糖葫芦”串一样，放在冰洞里。这些冰洞是用热水钻开凿出来的，钻每个冰洞需要融冰多达20万加仑。86个“冰糖葫芦”串，共5160个“精灵球”（86x60=5160），组成“冰立方”的主探测器，使命就是捕捉中微子和“冰立方”里的氧原子的原子核碰撞时“切伦科夫辐射”发出的蓝光——中微子这个“隐形侠”，有贪嘴的毛病，这个“冰糖葫芦”的陷阱，让它露出了“马脚”。

“冰立方”望远镜与普通望远镜最不同的地方，就是“朝向”。它面向地心方向，是探视地心，而不是仰望星空，这是为了避开各种射线产生的背景噪声。除了中微子，没有任何粒子能穿过整个地球。因此，“冰立方”虽然身在南极，所关心的却是来自北半球方向的源自宇宙的高能中微子。

▲　“冰立方”中微子望远镜探测到的中微子“大鸟”。图中的每个白点代表了一个“精灵球”（DOM），带颜色的球表示“精灵球”探测到蓝光。不同颜色代表到达的时间，红色在前，绿色在后。彩球越大，光的强度就越强，碰撞该点的中微子的能量也就越大。科学家根据这些分布图，可以重构还原那个被撞击的中微子的物理特性，甚至是它的来源

“冰立方”望远镜的设计，目标是具有非常高能量的宇宙中微子，这种中微子比太阳产生的低能中微子的能量高1000～100万倍（甚至更高），是太阳系外的来客，它们从北极上空进入地球，穿越过地壳、地幔、地心，从探测器底部或旁边进入“冰立方”。

当这些中微子和“冰立方”里的原子核发生碰撞时，就会产生蓝光，duang，duang，duang，爆灯，爆灯！检测到蓝光的“精灵球”正一个个亮了起来。实际上，“精灵球小分队”检测到的并不是中微子本身，而是中微子和原子核“撞车事件”发出的蓝光。

“冰立方”抓到了“大鸟”

尽管很长一段时间，“冰立方”都没有探测到猎物，但是在2011年8月，它终于探测到了一对中微子撞击原子核的“车祸现场”，科学家把它们起名叫“伯特”（Bert）和“厄尼”（Ernie）。！此后，在2012年12月2日，“冰立方”又探测到了一个更强的中微子，被命名为“大鸟”（Big Bird）。

科学家按照其轨迹回溯，把目光瞄向了一个叫“PKS B1424-418”的耀变体（blazar）。在2011年，这个耀变体比较暗淡，而在2013年初，变得非常明亮。恰好在此期间，“冰立方”发现了“大鸟”。当然，这还只是一个推断。“大鸟”来自何方，目前还没有定论。

在南极架设天文望远镜

在南极，除了深埋在地下的“冰糖葫芦阵”——中微子望远镜外，还有一个矗立在地上的望远镜——阿蒙森·史考特南极站望远镜，处在被称为“南极空洞”（Southern Hole）区域内，一直在不间断地观测宇宙。当它打开的时候，极像一个华夫饼机。

在南极架设天文望远镜的原因，在于其得天独厚的地理条件：

世界五大洲的平均海拔高度依次是亚洲950米，北美洲700米，非洲650米，南美洲600米，欧洲300米，而南极洲的平均海拔高度是2350米。这是因为南极大陆上巨大而厚的大冰盖所致，冰盖的平均厚度为2200米，最大厚度达4800米，使南极大陆的平均海拔高度居世界之首。因为海拔高、气压低、空气稀薄，外太空来的射线可以较少地受到来自大气层的干扰。

南极是地球上最干燥、最清澈的地方之一，加上南极大陆至今没有常住居民，更没有工业废物污染，少许的科学考察人员和旅游者的人为影响也是有限的，所以，南极大陆至今仍是原始生态和最洁净的大陆，也是科学实验最理想的圣殿。没有水蒸气的干扰和空气污染，适合观测亚毫米波和微波的辐射，这些来自太空外的辐射信号是研究大爆炸、太空深处和早期宇宙的重要数据。

在地球的南北极圈内，会出现半年是白天、半年是黑夜的奇特现象，人们称之为极昼和极夜。极昼和极夜，是由于地球的自转轴与地球围绕太阳运转轨道平面之间特定的角度变化造成的。在极夜里，科学家可以避免来自太阳的辐射干扰，不间断地注视着夜空进行观察。而且，没有了昼夜的温差起伏，冬季的风强度减弱至最低，使望远镜的观测具有了较高的稳定性。

由此可见，南极的望远镜，可算得上高、净、稳、久。