【博科园-科学科普】在南极的阿蒙森 - 斯科特南极站，有一个专门研究中微子基本粒子的设施IceCube Neutrino Observatory。该阵列由5160个球形光学传感器组成——数字光学模块（DOM） 埋在一立方千米的冰中。目前这个天文台是世界上最大的中微子探测器，过去七年来一直在研究这些粒子的性质和相互作用。
这张图片展示了在南极冰立方实验室的视野中，最高能量中微子探测的一个可视化表示概念图。图片版权：IceCube Collaboration
在美国宾夕法尼亚州立大学物理学家的协助下，IceCube合作最近发布的一项研究测量了地球第一次阻止中微子的能力。与粒子物理的标准模型相一致，尽管有数万亿的中微子通过地球(包括我们人类自己)，但偶尔会有一些中微子停下来。
最近发表在《自然》(Nature)杂志上的这项研究题为“用地球吸收来测量多tev中微子相互作用与冰立方的相互作用”。该研究小组的研究结果基于对高能量、向上移动的中微子的10784种相互作用的观察，这些中微子是在天文台一年的时间里记录下来的。
南极的IceCube中微子观测台。图片版权：Emanuel Jacobi/NSF
早在2013年，高能中微子的首次检测就是由IceCube合作完成的。这些被认为是天体物理学的中微子处于电子伏特范围，使它们成为迄今为止发现的最高能量的中微子。通过寻找Cherenkov辐射，IceCube搜索这些相互作用的迹象，这是在快速移动的带电粒子通过与正常物质相互作用而减慢之后产生的。
通过探测与清冰相互作用的中微子，IceCube仪器能够估计中微子的能量和行进方向。然而尽管有这些检测结果，关于是否有任何物质可以阻止中微子在太空中行进，这个神秘的东西依然存在。根据粒子物理的标准模型，这是偶尔会发生的事情。
在观察IceCube一年的相互作用之后，科学小组发现，那些穿越地球最远的中微子到达探测器的可能性更小。宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学/天体物理学教授Doug Cowen在宾夕法尼亚州立大学的新闻发布会上解释道：
这一成就非常重要，因为它首次表明，非常高能的中微子可以被某种东西吸收 ——在这种情况下，就是地球。我们知道低能中微子几乎可以穿过任何东西，但是尽管预期高能中微子会有所不同，但以前的实验并没有能够令人信服地证明高能中微子可以被任何东西阻挡。
IceCube中微子天文台中心的中微子探测器Icetop Tank。图片版权：Dan Hubert
中微子的存在最早是由理论物理学家沃尔夫冈·保利（Wolfgang Pauli）在1930年提出的，他假设它的存在是从能量守恒的角度来解释β衰变的一种方式。之所以如此命名，是因为它们是电中性的，只能通过微弱的亚原子力和重力与物质相互作用。因此中微子经常通过正常的物质。
中微子是由地球上恒星和核反应堆定期产生的，而第一批中微子是在大爆炸期间形成的。因此，研究它们与正常物质的相互作用，可以告诉我们很多有关宇宙在数十亿年内如何演变的信息。许多科学家预计，对中微子的研究将表明新物理学的存在，超越了标准模型。
正因为如此，科学团队对他们的结果感到有些惊讶（也许是失望）。正如威斯康星州麦迪逊大学（University of Wisconsin-Madison）的IceCube Neutrino Observatory（首席研究员）和物理学教授Francis Halzen所解释的那样：了解中微子如何相互作用是IceCube操作的关键，我们当然希望能出现一些新的物理学，但不幸的是发现标准模型像往常一样经受住了考验。
向下看IceCube的探测器钻孔之一。图片版权：IceCube Collaboration/NSF
大多数情况下，这项研究所选用的中微子比 太阳或核电厂所产生的中微子多一百万倍以上。这个分析还包括一些天体物理学 - 也就是超出地球大气层的地球物理学——也许是超大质量黑洞（SMBHs）加速到地球的。
艾伯塔大学物理学教授Darren Grant也是IceCube协作组织的发言人指出：这个最新的互动研究为未来的中微子研究打开了大门，中微子的行为给我们带来了惊人的声誉。看到这个第一次测量，以及未来精密测试的潜力，这是非常令人兴奋的。
这项研究不仅提供了地球吸收中微子的第一次测量，也为希望使用中微子探索地球内部的地球物理学研究人员提供了机会。鉴于地球有能力阻止数十亿常规通过它的高能粒子，科学家们可以开发研究地球内外核的方法，对其大小和密度进行更精确的限制。
这也表明该天文台能够超越其原本的目的，即粒子物理研究和中微子研究。正如最新研究清楚表明的那样，它也有助于行星科学研究和核物理。物理学家也希望使用完整的86弦IceCube阵列进行多年分析，研究更高范围的中微子能量。
这个事件显示了“Bert”，这是在IceCube上发现的两个中微子事件之一，其能量超过了一个电子伏特（PeV），图片版权：Berkeley Labs.
正如美国国家科学基金会（NSF）物理部门（负责为IceCube提供支持）的项目总监詹姆斯·惠特莫尔（James Whitmore）指出的那样：这可以让他们真正地寻找超越标准模型的物理学。
IceCube的建立是为了探索物理学的边界，这样做可能会挑战对宇宙本质的现有看法。这个新的发现和其他未来的发现是在科学发现的精神。自从2012年发现希格斯玻色子以来，物理学家就已经确信，确定标准模型的漫长旅程已经完成。从那以后，他们把它们放在了更远的地方，希望找到能够解决宇宙更深层的奥秘的新物理学——即超对称性，万物论（ToE）等等。
这一点，以及研究物理学在最高能级(类似于宇宙大爆炸时存在的能级)是如何工作的，是物理学家目前的当务之急。如果他们成功了，我们可能就会明白宇宙是如何运作的。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：宾州州立大学，《Nature》
作者：Matt Williams
来自：Universe Today
编译：中子星
审校：博科园
发表于 2018-1-3 01:55
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