在南极冰层捕捉宇宙中微子

　　中微子无处不在，却又缥缈难寻。它们几乎没有质量，能不被察觉地穿透地球与人体，因此被称为宇宙中最“腼腆”的粒子。每一秒，约有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲；极少数情况下，单个中微子会与原子核发生相互作用，这为研究者提供了捕获它们的机会。

　　宇宙中存在天然的粒子加速器，其释放的粒子能量可达地球实验室所能达到能量的100万倍。但这些粒子源仍有许多未解之谜：它们是什么？分布在哪里？内部的物理过程又是怎样的？

　　北京时间10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予美国科学家弗朗西斯·哈尔岑，以表彰其对冰立方中微子天文台的决定性贡献和发现具有天体物理起源的高能中微子。

　　探索中微子的动机，源自对另一种粒子的观测：宇宙中持续存在着被统称为“宇宙射线”的粒子流，最常见的是质子。来自太空的质子有时以惊人的能量抵达地球，能将质子加速至极高能量的过程同样会产生高能中微子。区别于源自放射性衰变、太阳活动或宇宙射线撞击大气层的低能中微子，那些并非源自周围环境的高能中微子，必然来自极遥远的恒星爆炸区域或活动星系。

　　高能中微子与其他粒子产生于相同的环境，但中微子不带电、不受磁场影响，在抵达地球的过程中几乎不改变方向，也不损失能量，因此携带着宇宙诸多谜团的线索。若将其捕获，研究人员便可提取其诞生地——宇宙极端环境的信息。

　　在比利时长大的哈尔岑，被粒子物理领域的进展深深吸引，20世纪60年代他投身该领域的研究，并于博士毕业后前往美国威斯康星大学麦迪逊分校。

　　20世纪80年代，哈尔岑得知苏联研究人员计划在南极用无线电接收器捕捉中微子信号，他由此受到启发。中微子本身并不发光，但当它偶尔撞上冰中的原子核，就可能产生一些带电粒子。这些粒子在冰中高速运动时，会发出微弱的光。在冰层中安装光传感器，就能探测碰撞产生的闪光。此前已有物理学家提出用水捕捉中微子，但那需要极大的水体。

　　哈尔岑的构想是用天然存在的冰。他联系了参与DUMAND项目的同事约翰·G·勒纳德——该项目旨在从夏威夷附近的海水中捕捉中微子。1988年，两人在波兰的一次会议上首次公开了在南极冰层中建设中微子天文台的构想。

　　此后，多个机构的研究人员聚集到哈尔岑周围，共同推动该构想落地。首先要解决把仪器放置到冰层中的实际难题：钻出深达千米的孔洞，再把串有光传感器的长缆沉入注满水的钻孔中。哈尔岑将这些传感器形容为“反向灯泡”——它先捕获光线，再将其转换为电信号。1992年，一批研究人员与工程师首次将光传感器沉入南极冰川。

　　研究团队先在格陵兰岛的冰层中试验传感器，随后开始在南极建造首个中微子观测站——冰立方的前身AMANDA。

　　冰层上层布满气泡，会把光线向不同方向散射、模糊粒子运动的轨迹信息，因此最初的实验结果不尽如人意。但在深度低于1400米处，冰层展现出极高的纯净度与透明度，中微子产生的光脉冲可传播300米后才被吸收，远超此前预期。AMANDA的建设持续到2000年1月，其规模仍不足以探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子。

　　研究团队决定扩大装置体积，启动冰立方项目——在1立方千米的冰层中部署光传感器阵列。2011年，冰立方完成最终部署，共配备5160个光传感器，分布于86条长缆之上。多年来，哈尔岑始终发挥着催化剂般的作用，将项目从构想推进到全面测量并取得科学成果。

　　冰立方要做的，远不止于观测到中微子，它还要在宇宙射线进入大气层所产生的信号背景中将宇宙中微子甄别出来。要找到宇宙中微子，研究人员必须筛选出中微子与冰层发生相互作用的事件，再整体分析检验其特性是否符合对宇宙中微子的预期、并区别于大气中微子。

　　在首次沉放传感器约20年后，冰立方记录到若干中微子，其特性令研究人员确信它们源自遥远的太空；2013年，冰立方团队首次公布支持其确实探测到宇宙中微子的关键证据，数年后积累的数据已足以定论。

　　冰立方的核心目标是将中微子天文学推向新高度——揭示尘埃云遮蔽的现象，捕捉那些因距离过远、其他辐射已在途中衰减而无法获取的天体信息。

　　这些能把粒子加速到地球上实验水平100万倍的剧烈事件，其辐射作为“信使”抵达地球，携带着起源的信息；中微子则能揭示其他辐射无法提供的信息，帮助物理学家验证关于太阳内部与超新星内部过程的理论模型。

　　目前一项重要目标，是确定宇宙中微子的具体来源。冰立方已发现若干潜在来源，其中之一是活动星系NGC 1068（亦称M77）：记录到的中微子中，有79个似乎源自该星系方向，但尚不足以为其“确源”——捕获的中微子越多，追溯来源的可能性就越大。未来几年，中微子天文学必将引发更多讨论。

来源：中国青年报客户端