在大概一百年之前, 物理学家为了确保能量守恒定律不会被推翻, 所以在理论上画出了中微子这个东西。而现在呢, 这个玩意儿在南极冰盖下面变成了一种新东西。那里有一个巨型探测器, 体积有一立方千米大。通过这个探测器, 人类现在可以去窥探宇宙里面最深的那些地方了。这是一个新的窗口。

01.泡利假想粒子与中微子的诞生

在1930年这个时间点, 泡利提出了一个看法, 他认为在原子核发生β衰变这种过程里面, 有一种不带电的、质量特别小的粒子把那种好像消失了不见了的能量给带走了。

到了1956年, Cowan和Reines这两个人是在美国萨凡纳河核反应堆旁边做实验的, 他们在这里头第一次直接探测到了中微子这个现象存在。因为做出了这样的贡献, Reines后来是分享到了1995年诺贝尔物理学奖这个东西的。

在这之后, 社会人们又发现了中微子是有电子型、μ型以及τ型这三种不同的分类的, 而且这些中微子在飞行的路途之中, 还会发生相互之间的转化现象, 这个现象就被定义为叫做"中微子振荡"这样一个概念。

对于那些像是太阳中微子这类的低能量等级的中微子来说, 想要把它们阻拦下来一次, 那么它们平均的情况是需要穿过厚度大约达到了一光年这样厚度的铅材料。

02.中微子为何是理想宇宙信使

传统的观测方法是非常依赖于光的, 高能伽马射线在漫长的飞行途之中会与宇宙背景光子发生碰撞从而导致湮灭现象的产生, 这就使得遥远的宇宙空间里最高能量的过程变得难以看清, 而带电的宇宙线会在星系的磁场中反复地产生偏折, 等到抵达地球的时候其方向早就被彻底打乱了。

因为中微子几乎不会被吸收, 所以它们能够笔直地从宇宙的深处飞向地球, 并且会忠实地指向其诞生地的方向。高能中微子和宇宙线堪称是一对外表非常相似的“孪生兄弟”, 其中的过程是质子撞击物质从而产生π介子, 然后再通过衰变释放出高能中微子, 因此如果找到了中微子的来源, 这几乎就等于找到了宇宙线的加速器。

03.南极冰层变身天然探测器

在上个世纪80年代中期, 科学家和一名叫做Enrique Zas的博士后研究人员一起, 参与建造中微子望远镜的工作。这里面的一个关键点发现是, 南极冰层自己就能够用来追踪中微子了。

当中微子撞到南极冰层里的原子核上之后, 就会生产出一些次级粒子, 然后工作人员只要让这些传感器去记录这些次级粒子发出的光信号就够了, 最后就能反过来推导出那些中微子的来向。

原先在深海以及湖泊中开展相关研究的计划之所以会搁浅, 其关键原因之一在于需要安装和维持数量多达几千个传感器的施工工作难度极为巨大。后来研究团队决定将探测设备投放到更深的水层之中, 结果发现冰层的透明度远远超出了他们之前的预期。

最终在南极点的科考站正下方大约一百五十立方千米的冰层区域, 并且在一米五千米深度的位置成功建成了世界上首个重量达到吉吨级别的中微子探测器。

04.过滤背景噪声锁定宇宙信号

宇宙线向大气层轰击而产生出大量的μ子来, 这种 μ子的数量比中微子事例多出了大约一百万倍, 同时还会产生所谓的大气中微子从而混入到信号之中, IceCube会特别留意那些自下而上穿过探测器的径迹, 原因就是因为能够穿过整个地球的只可能是中微子, 于是地球本身就被当成了一种天然的过滤器。

至于大气中的微子, 研究人员是靠着像能量分布这样的统计特征办法, 才把那些能量更高的宇宙微子从背景噪声里面给区别鉴定出来的。由μ中微子产生的μ子会在冰的介质里面行进特别远的一段距离, 从而留下很长的径迹信息, 所以它的方向定位工作相对来讲是比较精确的。

05.从Bert和Ernie到耀变体方向警报

在完成了历时两年的全阵列数据采集工作之后, 研究人员确认了来自银河系以外空间的高能中微子, 这一研究成果随后获得了二零一三年《物理世界》杂志颁发的年度突破大奖, 相关团队从那堆积如山的背景干扰数据中成功筛选出了二十八个具有高能特征的事例。

在2017年9月这个时间点, IceCube探测到了来自耀变体TXS 0506+056方向的高能中微子, 这为高能宇宙线源提供了首个证据。随后, IceCube迅速向全球发出了警报, 紧接着伽马射线望远镜发现了该耀变体正处于活跃耀发状态, 从而完成了典型的多信使天文观测。

06.从配角到宇宙新窗口

IceCube还捕捉到了一颗河外反中微子通过格拉肖共振与冰发生相互作用, 这个现象是Glashow在1960年预言的。Halzen的目标是在极高能区寻找偏离标准模型中微子物理的迹象, 从而为理论物理提供新的线索。

冰立方实验还在继续搞升级, 不过单台望远镜看的地方太窄了, 抓到来者的速度也慢得让人着急, 好多人好多事都卡在统计数量不够这块儿上了。

从那个泡利写出来的, 说是为挽救能量守恒才硬造出来的一种假想小粒子说起, 一路走到现在这安在南极冰下面、足足有一立方千米大的那台大望远镜身上, 中微子这东西啊, 足足花了将近一个大把的年头去熬, 这才总算从一个跟着凑热闹的下手角色, 变成了咱们去看透宇宙的新窗子眼儿来了。

若在未来的中微子信号探测里, 真的捕捉到了超越现有标准模型框架的物理现象, 你心中的物理学领域最为引人兴奋的意外惊喜究竟会是什么? 欢迎点击点赞与转发按钮, 并在评论区内充分交流并阐述你自己的观点看法。