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中微子研究获新进展:以接近光速穿行
2022-08-04

IceCube中微子探测器位于南极点附近,能向上和向下探测中微子源

IceCube观测站由86个位于冰层中的洞穴组成,里面放置着成串的探测器,深度在1.5至2.5公里之间。

新浪科技讯 北京时间8月12日消息,据国外媒体报道,物理学家已经获得了许多有关中微子的新发现。在南极的冰层下有一座巨大的中微子探测站,通过搜寻从北极穿过地球的中微子,该站所探测到的“宇宙中微子”数量已经增加了一倍。近日,这个研究站宣布探测到了目前最高能的中微子。

与此同时,在意大利的一个探测器第一次证实,在地球的地壳之下也会产生中微子。这些“地球中微子”所携带的能量比宇宙中微子少很多,但它们能帮助科学家了解地热形成的放射过程。相比之下,来自太空的中微子可以提供有关银河系之外各种神秘辐射源的线索。

中微子是一种没有电荷,且几乎没有质量的亚原子粒子,几乎不与其他任何物质发生反应。这意味着它们能以直线穿过宇宙,毫无干扰地穿过整颗行星,并且很难被探测到。在南极的冰层下,IceCube中微子观测站的数千个探测器分布在1立方公里的范围内,这些探测器装有光学传感器,用于捕捉中微子偶尔击中原子时产生的闪光。

北极到南极

2013年,IceCube观测站宣称第一次探测到了来自太阳系以外的中微子,其中有28个中微子在被捕获时的能量远远超过人类最好的粒子加速器所能产生的最高能粒子。从那时到现在,这种高能的“宇宙中微子”数量已经上升到了50个以上。

在本周于荷兰举行的一次会议上,IceCube观测站宣布了一个破纪录的事件,由该站的探测器在2014年6月发现。他们探测到了一个携带着至少2600TeV能量的中微子——比大型强子对撞机里的光子还高数百倍。此前IceCube观测站的记录是2000TeV。

这也是目前探测到的能量最高的中微子,也是速度最快的:所有的中微子都以非常接近光速的速度穿行,一点点速度的增加都需要极大的能量。此外,这一能量值只是一个最低值。中微子本身并不能被探测到,IceCube发现的是一个不同的粒子,称为μ子(muon)——缪中微子(μ中微子)的产物,而且它是从北极方向来的。

Borexino观测站的不锈钢球体装满了光学传感器

Borexino观测站的探测器中装满了一种特殊的碳氢化合物液体

IceCube观测站首席研究员、威斯康辛大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)说:“它是由一个穿过地球,从我们的探测器下方出现的中微子所产生的。”通过一种被哈尔岑称为“信封背面”(back of an envelope)的物理计算,研究团队重建了中微子的相互作用,即μ子轰击冰层,释放2600TeV的过程。

“利用标准物理模型,这个中微子的能量大约在5000到10000TeV之间,最可能的值是在这一范围的中间,”哈尔岑解释道,“这个中微子的能量相当于1000倍大型强子对撞机光束的能量。这太惊人了。”

事实上, IceCube观测站的物理学家正是用这类证据来确定探测到的宇宙中微子数量增加了一倍。他们已经在对两年来的数据进行重新分析,此前在这些数据中已经发现了超过50种银河系的粒子,均为直接来自南方天空的电子和陶中微子。

在即将发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一篇文章中,研究团队将注意力投向了北极,揭示了有同样数量的谬中微子从北半球飞入了地球内部。最终,每个中微子都撞到了一些物体,在冰层中释放了μ子,就像2014年6月破纪录的那个一样。

哈尔岑说:“这种新的方法使我们获得了同等数量的缪中微子,我们的统计因此也达到了100以上。”重要的是,μ子相对较重,因此当冰层中的传感器发觉它们的经过,其轨迹也能够再进行重建。这使得IceCube成为一台望远镜,能向北穿过地球,观察中微子所来自的宇宙角落。

来自内部的轰击

中微子还可以由少得多的能量产生,而且与我们的距离也可以更近。Borexino观测站埋在意大利格瑞·萨苏的地下,200吨特制油填满了一个巨大的、球形的桶,里面装有光学传感器。Borexino观测站的建造目的是为了捕获由太阳中心核反应产生的低能中微子。观测站以往的工作是成功的,但现在国际研究团队利用其7年的数据,对地球内部进行探测。

我们的地球内部能产生大量的热——大约为世界所有电厂总量的20倍。这些热大部分是辐射热,但科学家并不清楚到底有多少热量。Borexino观测站的成员阿尔多·易安尼(Aldo Ianni)解释道:“唯一能了解有多少热量来自辐射的方法是测量来自地球内部的中微子。”

Borexino观测站和日本的超级神冈中微子探测器已经发现了这些“地球中微子”的踪迹,伴随着的是无数由地球表面核电站产生的游离中微子。

不过,在一篇准备发表在《物理评论D》(Physical Review D)的论文中,Borexino观测站的研究团队列出了一些重要的证据,显示从地壳以下的地幔层也会产生中微子。这组数据包含了77个候选的中微子,计算结果显示有24个来自地球内部,而不是来自核电站的反应堆。在这24个中微子中,研究者能几乎肯定——还未完全肯定——有一些来自地幔。之所以还没有完全肯定,是因为在计算的每个步骤中都存在着一些不确定性。

阿尔多称:“它在98%的置信水平,意味着还有极小的可能是,这些中微子不是来自地幔。”按目前粒子物理学的规则,这么小的可能性相对于正式的“发现”来说还是太大了。“这种可能性很小,但从物理学的角度来说,它应该要更小得多。”

珍妮·威尔森(Jeanne Wilson)是英国玛丽皇后大学的粒子物理学家,在日本的超级神冈中微子观测站工作。她认为Borexino观测站的结果虽然还很初步,但非常重要。

“从以往的结果看,我们会很有自信地说观测到了‘地球中微子’,但随着观测结果越多,你对它们从何而来的信息就知道得越多,”她说,“我们现在正接近一个临界点,可以开始做这方面的分析。我不认为这些模型中有什么东西会推翻目前已有的关于地球的模型,但它们确实表明,我们正在接近一个中微子能提供切实帮助的点。”

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