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【·24小时】“冰立方”:藏在南极的中微子“捕手”

作者: 来源: 时间:2020-02-09

  中微子,这个曾在2011年的“超光速”乌龙事件中一度街知巷闻的粒子物理学名词,在国际物理学的舞台上几度掀起了波澜。其中最近一次是2017年9月22日,“冰立方”探测到一个来自37亿光年之外的超高能中微子。

  在诸多实验设施和探测设备中,埋在南极洲冰层里的中微子探测器“冰立方”,毋庸置疑在高能中微子领域独领风骚。

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埋在南极冰层下的庞然大物

  “冰立方”由86根光缆组成,每根光缆安装有60个探测器,共有5160 个探测器。每个探测器的直径是35厘米,与一个篮球差不多大。这些探测器全部被埋在一个长、宽、高都是1000米的冰层里,冰层为立方体,故称为“冰立方”。这块巨大的冰最浅处离地面1450米,最深处离地面2450米。埋在如此深的地方,为的是让地层将一些干扰信号屏蔽掉,只让中微子进入冰立方。在地球上,只有南极有这么厚、这么宽广、这么纯净的冰层,这就是物理学家选择在南极建立“冰立方”的原因。

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  “冰立方”所处的位置温度非常低,因此装备都是耐低温材料制成。“冰立方”以冰内的质子作为靶子,冰作为媒介。当中微子与冰内的质子反应时,产生的高速运动粒子在冰内会发出切伦科夫辐射,辐射以可见光为主。探测器捕捉到这种辐射,并沿着光缆将信号传给位于地面上的控制中心,研究人员根据信号进行分析与计算,就可以得到中微子的能量与方向。由于中微子与物质的相互作用极度微弱,所以有大量中微子穿过介质,却只有极少数能与介质相互作用,并产生信号。

“冰立方”与高能中微子

  2000年,“冰立方”的前身阿曼达(Amanda)开始运作,此后物理学家边观测,边增加光缆和探测器。2001年,物理学家用它发现了大气中微子。2011 年,“冰立方”的86根光缆、5160个探测器全部安装完毕。

  在2010年到2012年间,“冰立方”共探测到28个银河系外的高能中微子,其中有2个达到了1015电子伏。这个能量有多高呢?当今世界上最强大的加速器、耗资近百亿欧元的“大型强子对撞机”,也只能将质子加速到大约6.51012电子伏。换句话说,“冰立方”探测到的2个最高能量的中微子的能量,是大型强子对撞机加速出来的质子的能量的100多倍。

  那么中微子何以高能?这么高能量的中微子又是怎么产生的呢?

更多精彩内容,

详见《科学24小时》2019年第2期!

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