捕捉高能中微子，粒子天体物理家格陵兰岛冰层下设“陷阱”

旗帜标记了天线的位置，这些天线用于探测冰层内中微子碰撞的无线电脉冲。
图源：Christoph Welling/RNO-G 合作/DESY

7月的北极圈正处极昼。在全球最大岛屿格陵兰岛的冰原高处，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”。

通过在冰面及其下方数十米处放置数百个无线电天线，他们希望以“捕获”到比以往更高的中微子。“这是一个探索机器，正在寻找更高能量下的第一个中微子。”芝加哥大学的物理学家 Cosmin Deaconu 在格陵兰岛峰顶研究站介绍道。

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，能够加速到7 TeV（1TeV=1万亿电子伏特）。而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。

图：欧洲核子研究中心的大型强子对撞机

什么是中微子？

中微子神秘莫测，被认为是粒子界的“隐士”，它是一种在放射性衰变和核聚变中产生的粒子。

中微子不带电荷，几乎没有质量，而且与其他物质之间的相互作用极其微弱。因此，一颗高能中微子可以穿越整整一光年厚的铅层，而几乎不会打扰其中任何一个原子，形成了能量不守恒的假象。

20世纪20年代末，科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时，发现这个过程中有一部分能量不知去向。奥地利物理学家泡利对能量守恒定律深信不疑，于1930年提出：能量亏损的原因是有一种不带电的、质量极小的新粒子带走了缺失的能量和动量，由于与其他物质之间的相互作用极弱，所以无法被探测到。他把这种未知的粒子叫做“小中子”，就是现在说的“中微子”，意思是微型的中性粒子。

1956年，美国物理学家莱茵斯在一个核反应堆发射的中微子洪流中，通过中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的频闪首次证实了中微子的存在。他也因为这项成果在1995年获得了诺贝尔物理学奖。

 中微子有何作用？

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，导致单个粒子包含的能量和一个击球良好的网球一样多。研究人员想要查明它们的来源，但由于原子核带电，太空中的磁场扭曲了它们的路径，使它们的起源模糊不清。理论认为，当超高能 (UHE) 宇宙射线从源头发出，在碰撞来自宇宙微波背景的光子时，会产生所谓的“宇宙中微子”。由于不带电，这些中微子像箭一样笔直地飞向地球。

图：耀变体将中微子和伽马射线射向地球

这就是中微子的作用所在：它是除了电磁波外，携带着宇宙中核反应信息的另一位信使。天体的核反应会发射出中微子，它们以光速穿越星系，且不与遍布宇宙的电磁波辐射发生相互作用，星系的磁场也不会对它们产生影响，其携带的最原始的信息得以被保留。如此特殊的性质使中微子可用于研究深空中所发生的一些天文现象。因此，自引力波之后，人类探索宇宙的下一个重大发现被认为或许就藏在宇宙中微子中。

如何探测中微子？

中微子难以捉摸的特性也导致了中微子的探测极端困难。众所周知，中微子几乎不会与物质相互作用。这使得此时此刻，有数万亿个中微子穿透读者的身体，只有极少数的中微子会与身体里的原子发生相互作用，从而暴露出它们的行踪。因此，必须监测大量物质才能捕获少量与原子碰撞的中微子。

此类最大的探测器是位于南极洲的“冰立方”（IceCube）中微子天文台。其位于南极洲约2.4公里深的冰层下1立方公里的冰块内，由86根装备了传感器的电缆所组成，每根电缆包含有60个光学传感器，这5160个传感器的使命就是观察冰层里中微子与原子碰撞产生的闪光。

传统的中微子探测器，比如位于日本的“超级神冈(super-kamiokande)”探测器是水罐，建立在废弃的矿井之下。而“冰立方”中微子天文台的大小为超级神冈的2万倍，但成本仅为其2倍。

南极“冰立方”中微子天文台

自 2010 年竣工以来，“冰立方”已探测到许多深空中微子，但只有少数几个被称为Bert、Ernie和Big Bird的深空中微子能量接近 10 拍电子伏 (1PeV=1000TeV，1000万亿电子伏特)。“这是宇宙中微子的预期能量” ，乌普萨拉大学教授、“冰立方”团队成员的Olga Botner说，“为了在合理的时间内探测到能量更高的中微子，我们需要监测更大体积的冰。”

中微子探测的最新进展

还有一种探测方法是利用中微子撞击产生的另一个信号：无线电波脉冲。由于波在冰内传播的距离可达1公里，所以在靠近冰面的地方，分布广泛的无线电天线阵列可以监测到更大体积的冰，且成本比“冰立方”更低。

由芝加哥大学、布鲁塞尔自由大学和德国加速器中心 DESY领导的格陵兰岛射电中微子天文台 (RNO-G) 是第一个协同测试该概念的项目。到 2023 年建成后，RNO-G将拥有 35 个站点，每个站点包含24个天线，总面积达 40 平方公里。此前，该团队在格陵兰岛冰原顶端美国运营的峰顶研究站附近安装了第一个站点，并已转移到第二个站点。

团队希望捕获的深空中微子被认为发源于猛烈的宇宙“引擎”——最有可能的能量来源是吞噬着周围星系物质的超大质量黑洞。“冰立方”已经追踪到的两个能量低于 Bert、Ernie 和 Big Bird 的深空中微子便来自具有大质量黑洞的星系——这表明科学家的研究在正确的轨道上。但科学家还需要更多能量更高的中微子来证实这一联系。

除了确定UHE 宇宙射线的来源之外，研究人员还希望中微子能显示出这些粒子是怎么来的。目前，探测UHE宇宙射线的两种主要仪器在构成上有所不同。来自犹他州望远镜阵列的数据推测它们完全由质子演变的，而阿根廷的皮埃尔·奥格天文台表示质子中混合了较重的原子核。由这些粒子产生的中微子的能谱应该根据它们的组成而有所不同——这反过来又可以为它们的加速方式和加速位置提供线索。

项目负责人之一、弗里德里希亚历山大大学埃尔兰根 - 纽伦堡分校的Anna Nelles 表示，RNO-G 可能会捕获足够多的中微子，从而揭示这些明显的能量差异。她估计 RNO-G 每年可能捕获多达3个宇宙中微子。但是，“如果不走运的话，探测到的数量可能会非常少，以至于只探测到一个可能就需要数万年。”

即使 RNO-G 被证明是一个等待游戏，它同时也是一个更大的无线电阵列测试平台，分布超过 500 平方公里，计划作为“冰立方”升级的一部分。如果宇宙中微子存在，第二代“冰立方”会找到它们，并解决它们是什么的问题。