科學家講述探索中微子的故事

我們看到了粒子流，現在我們必須找出它對天文學的價值。

圖片來源：FELIPE PEDREROS

1年半前，與世界最奇特科學儀器“共事”的物理學家獲得一個喜憂參半的突破。這臺巨大的冰立方粒子探測器探測到來自外太空幽靈般的亞原子粒子——中微子。“冰立方”是世界上最大的粒子探測器之一，坐落于南極。5160個光傳感器呈三維模式排列在南極深厚的冰層中，組成了一張特制的“網”，用于捕捉中微子。這是自1987年以來，科學家首次捕獲到來自太陽系外的中微子。

研究人員之前探測到太陽發射出能量較低的中微子涌流，并且這些如流星雨一般的粒子在大氣層中會發生相互作用。但除了1987年附近超新星爆發涌出的中微子流，人們從未探測到來自宇宙深處的這些“天外來客”。

一些物理學家表示，這是一個諾貝爾級別的發現，但它聽起來也像是一個嚴重警告。冰立方每年僅能探測到約12個中微子。以這樣緩慢的速率，這架耗資2.79億美元的探測器可能永遠不會像宣傳語說的那樣：作為一架中微子望遠鏡，它能打開一個全新的天堂。

但隨著數據的不斷收集，研究人員是樂觀的。美國威斯康星大學理論物理學家Francis Halzen表示，終究事實證明，宇宙中微子的發現意味著一臺足夠大的探測器能收獲足夠多的信息，以便研究天空。“我們看到了粒子流，現在我們必須找出它對天文學的價值。”他說。Halzen及其團隊正推動擴大冰立方的規模。同時，其他研究人員正在開發更便宜有效的方法。

完美的中微子

更重要的是，這些宇宙中微子已經在講述一個故事，尤其是當與來自深空的其他粒子（被稱為伽馬射線的高能光子及超高能宇宙射線）一起時。物理學家一直想知道大部分中微子、伽馬射線和宇宙射線來源于哪里。冰立方團隊成員、瑞典烏普薩拉大學物理學家Olga Botner表示，日前，在一次引人注意的會上，所有這3個問題似乎都有同樣的答案。“我們相信產生宇宙射線的‘引擎’，也產生了伽馬射線和中微子。”她說。

如果這樣的話，物理學家就只有一個謎題需要解開。這也暗示，解決方案將不需要外來的新粒子物理學：有關恒星和星系的傳統天體物理學就能滿足。

對于追蹤宇宙奧秘，來自宇宙的中微子有比其他粒子更大的優勢。帶電的宇宙射線會在星系磁場中打轉；伽馬射線會與宇宙大爆炸后徘徊不去的宇宙微波背景輻射（CMB）相纏繞。相反，不帶電的中微子能在宇宙中急速徑直地穿越。“中微子是最終的高能‘信使’。”伊利諾伊州芝加哥大學物理學家Abigail Vieregg說，“如果你能看到，它們是完美的。”

而這是最困難的部分之一。中微子與其他物質的相互作用十分微弱，每秒億萬顆中微子刺穿人體卻未被發現。要辨認這些相互作用，探測器必須非常巨大。因此，冰立方體積達1立方公里，包含10億噸冰。

這些冰是冰立方的中微子“捕手”。在極少情況下，中微子會撞到原子，結果產生一種叫作μ子的粒子以及一種藍光閃爍特征（切連科夫輻射），探測器可以捕獲這種閃爍。在冰立方中，中微子在與冰層中的氧原子相撞時，撞擊會產生微弱的藍色閃光，并且科學家可以根據藍光判斷中微子飛入探測器時的方向和能量。

但不幸的是，對于宇宙中微子獵人而言，其他許多粒子也會在探測器中產生相似信號。闖入大氣層的宇宙射線也能產生許多中微子和μ子。而大氣層中微子數量與宇宙中微子數量的比是1000：1。

在經過一系列篩選后，從2010年5月到2012年5月，冰立方探測器研究團隊發現了28個能量超過30萬億電子伏（TeV）的中微子，其中兩個甚至超過1000TeV。這一能量要高于大多數大氣層中微子的能量。研究人員估計，它們中僅有11個可能是由大氣層中微子和普通宇宙射線偽造的背景事件。而Botner表示，現在收獲的數字是54個，其中3個的能量高于1000 TeV。鹽湖城猶他大學宇宙射線物理學家Pierre Sokolsky指出，這些被確定是宇宙中微子。

依然成謎

但如果中微子打開了探索宇宙的新窗戶，這扇窗也仍然晦暗。冰立方探測到的大部分事件像瀑布似的，只能在10~15度的方向追蹤中微子。迄今為止，冰立方團隊的所有物理學家能說的是，宇宙中微子似乎來自整個天空。這暗示它們產生于銀河系之外。

至于直接尋找中微子的來源，到目前為止，冰立方只確定一個可能的候選者，名為伽馬射線爆發的恒星爆發。但冰立方團隊的物理學家沒有發現宇宙中微子的時間和其他設備記錄的伽馬射線暴時間之間存在相關性。Botner表示，來自伽馬射線暴的中微子不超過1%。

不過，盡管冰立方沒有發現宇宙中微子的來源，其數據仍揭示了有關這些粒子的信息。尤其是，這些結論將宇宙中微子與最神秘的宇宙粒子（最高能的宇宙射線）聯系在一起。

超高能宇宙射線能將能量壓縮到1億TeV，它們會以每100年1平方公里的比例撞擊地球。要辨別出它們，物理學家需要部署大規模探測器，例如位于阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺和位于猶他州東部沙漠的望遠鏡陣列。但目前仍沒有人知道這些超高能宇宙射線來自哪里以及如何獲得如此高的能量。一些理論學家認為，它們來自大爆炸時期就存在的大質量粒子衰退，或者可能來源于超新星殘骸等更傳統的天體物理學“加速器”。

到目前為止，冰立方的數據支持天體物理學版本。原因是這與1998年Eli Waxman（目前供職于以色列魏茲曼科學院）和稍后的普林斯頓高等研究院的John Bahcall的估計結果相吻合。Waxman和Bahcall假設，宇宙中微子來自一連串標準粒子相互作用，這個作用始于超高能質子在宇宙中與光子相撞。撞擊會產生一種帶電介子，它能衰退成1個μ子和3個中微子。他們推斷，到達地球的宇宙中微子的數量可能依賴于形成超高能宇宙射線的質子的數量。

Botner表示，實際上，冰立方的測量結果與Waxman-Bahcall推斷相匹配。這就意味著，產生超高能宇宙射線的天體物理學來源也產生了宇宙中微子。相反，如果宇宙射線和中微子的來源不同，或來自特大質量粒子衰變，測量結果將不會匹配。

擴大規模

為了測驗這些結論，物理學家需要尋找更多中微子，并找到部分來源。冰立方團隊有更直接的計劃：將設備擴大到目前體積的10倍。Halzen表示，這樣做可能只需要加倍光傳感器的數量。他指出，南極冰比預期的更澄清，因此新傳感器間距可以比目前的間距更大。Halzen說：“從現在開始的幾年里，我們和探測器將會取得哪些成功？那個問題我們可能永遠無法回答，我們希望能有一臺更大的探測器。”

今年夏天，冰立方團隊計劃向美國國家科學基金會（NSF）申請3億美元的經費增加額，他們希望能在未來10年完成擴展工作。時間表并不像聽上去那樣悠閑。研究人員在南極的工作時間只有每年夏天，而且利用專業水力鉆探工具鉆一個洞可能需要數天。“如果你從2026年反推，并沒有剩下多少時間。”Botner說。確實，工作人員花費了7年時間才安裝完成現在的冰立方探測器。

不過，簡單地在其表面增加探測器或許可以提高冰立方的發展速度。目前，81個表面探測器基本覆蓋了冰立方1.2平方公里的范圍，而德國亞琛工業大學Jan Auffenberg表示，將其擴展到150平方公里，將極大提高物理學家追蹤宇宙中微子來源的能力。

Waxman預測，如果科學家能擴展冰立方，將至少發現數個來源。這些觀測將測驗新興的一體化模型。“人們將確定下一步需要做什么。”Waxman說。但他指出，一臺更大的探測器并不夠。而要找到這些來源，研究人員可能還需要許多年。但無論如何，雖然人們尚未到達中微子天文學“王國”，但它最終將觸手可及。（張章）