捕捉高能中微子，粒子天体物理家格陵兰岛冰层

7 月，北极圈处于极昼。在世界上最大的岛屿格陵兰岛的冰盖之上，粒子天体物理学家正在寻找宇宙中最强加速器带来的“中微子”。

通过在冰面以下数十米处放置数百个无线电天线，他们希望“捕获”比以往任何时候都更高的中微子。 “这是一个探索机器，正在寻找更高能量的第一个中微子。”芝加哥大学物理学家 Cosmin Deaconu 在格陵兰峰研究站介绍。

此前，人类发现的能量最高的粒子来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，它可以加速到 7 TeV（1TeV=1 万亿电子伏特）。在北极探测到的中微子能量是大型强子对撞机粒子能量的 1400 多倍。

中微子很神秘，它是被视为粒子世界的“隐士”。它是在放射性衰变和核聚变中产生的粒子。

中微子没有电荷，几乎没有质量，它们与其他物质的相互作用极弱。因此，高能中微子可以穿过一整光年厚的铅层而几乎不会干扰任何原子，形成能量不守恒的错觉。

在 1920 年代后期，当科学家们研究 β 衰变（即原子核辐射电子以转变为另一个原子核）时，他们发现部分能量在此过程中丢失了。奥地利物理学家泡利深信能量守恒定律，并于 1930 年提出：能量损失的原因是有一种新的不带电的极小粒子带走了失去的能量和动量，由于与其他事物的区别。它们之间的相互作用极其微弱，因此无法检测到。他称这种未知粒子为“小中微子”，现在称为“中微子”，意为微小的中性粒子。

1956年，美国物理学家莱因斯首次证实了在核反应堆发出的大量中微子中存在中微子。 .他也因此获得了 1995 年的诺贝尔物理学奖。

<强>？中微子的作用是什么？

地球上各个地方的探测器偶尔会记录到超高能（UHE）宇宙射线的到来。这些原子核以极高的速度撞击大气层，导致单个粒子所包含的能量与一个好的网球一样多。研究人员想找出它们的起源，但由于原子核带电，空间磁场扭曲了它们的路径并使它们的起源变得模糊。该理论认为，当超高能（UHE）宇宙射线从源头出现并与来自宇宙微波背景的光子碰撞时，就会产生所谓的“宇宙中微子”。由于它们没有带电，这些中微子像箭一样直接飞向地球。

这是中微子的作用在哪里：除了电磁波，它是另一个携带宇宙核反应信息的信使。天体的核反应会发出中微子，中微子以光速穿过星系，不会与整个宇宙的电磁辐射相互作用。星系的磁场不会影响它们，它们携带的最原始的信息可以被保存下来。这种特殊性质使中微子能够用于研究发生在深空的一些天文现象。因此，自引力波以来，人类探索宇宙的下一个重大发现被认为隐藏在宇宙的中微子中。

如何检测中微子？

中微子难以捉摸的特性也使得中微子的探测变得极其困难。众所周知，中微子几乎不与物质相互作用。这让数以万亿计的中微子在这一刻穿透了读者的身体，只有极少数的中微子会与体内的原子相互作用，从而暴露出它们的行踪。因此，必须监测大量物质以捕获少量与原子碰撞的中微子。

这种类型最大的探测器是南极洲的“冰立方”（IceCube）中微子天文台。它位于南极洲约 2.4 公里深的冰层下的 1 立方公里冰块中。它由配备传感器的 86 根电缆组成。每根电缆包含 60 个光学传感器。这 5160 个传感器的任务是观察冰层。在这里，中微子与原子碰撞的闪光。

传统的中微子探测器，比如日本的“超级神冈”探测器，都是建在废弃矿井下的水箱。 “冰立方”中微子天文台的体积是超级神冈的20,000倍，但成本只有其两倍。

自 2010 年完成以来，" “冰立方”探测到了许多深空trinos，但只有少数叫做Bert、Ernie和Big Bird的深空trinos的能量接近10PeV（1PeV=1000TeV，1000万亿电子伏特）。“这是预期的能量宇宙中的中微子，”乌普萨拉大学教授、“冰立方”团队成员奥尔加·博特纳说。“为了在合理的时间内探测到更高能量的中微子，我们需要监测更大体积的冰。”

中微子探测的最新进展

另一种探测方法是使用另一种信号：无线电波脉冲。由于该波可以在地球上传播1公里冰，分布广泛的无线电天线阵列可以探测到冰面附近更大体积的冰，成本低于“冰立方”。

文章来源：《大学物理》 网址: http://www.dxwlzz.cn/zonghexinwen/2021/0813/776.html