旗幟標(biāo)記了天線的位置，這些天線用于探測(cè)冰層內(nèi)中微子碰撞的無線電脈沖。
圖源：Christoph Welling/RNO-G 合作/DESY

7月的北極圈正處極晝。在全球最大島嶼格陵蘭島的冰原高處，粒子天體物理學(xué)家正在尋找宇宙中最強(qiáng)加速器帶來的“中微子”。

通過在冰面及其下方數(shù)十米處放置數(shù)百個(gè)無線電天線，他們希望以“捕獲”到比以往更高的中微子?！斑@是一個(gè)探索機(jī)器，正在尋找更高能量下的第一個(gè)中微子?！敝ゼ痈绱髮W(xué)的物理學(xué)家 Cosmin Deaconu 在格陵蘭島峰頂研究站介紹道。

此前，人類發(fā)現(xiàn)的能量最高的粒子來自歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，能夠加速到7 TeV（1TeV=1萬億電子伏特）。而在北極探測(cè)到的中微子能量是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)粒子能量的1400多倍。

圖：歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)

什么是中微子？

中微子神秘莫測(cè)，被認(rèn)為是粒子界的“隱士”，它是一種在放射性衰變和核聚變中產(chǎn)生的粒子。

中微子不帶電荷，幾乎沒有質(zhì)量，而且與其他物質(zhì)之間的相互作用極其微弱。因此，一顆高能中微子可以穿越整整一光年厚的鉛層，而幾乎不會(huì)打擾其中任何一個(gè)原子，形成了能量不守恒的假象。

20世紀(jì)20年代末，科學(xué)家在研究β衰變（即原子核輻射出電子轉(zhuǎn)變成另一種核）時(shí)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程中有一部分能量不知去向。奧地利物理學(xué)家泡利對(duì)能量守恒定律深信不疑，于1930年提出：能量虧損的原因是有一種不帶電的、質(zhì)量極小的新粒子帶走了缺失的能量和動(dòng)量，由于與其他物質(zhì)之間的相互作用極弱，所以無法被探測(cè)到。他把這種未知的粒子叫做“小中子”，就是現(xiàn)在說的“中微子”，意思是微型的中性粒子。

1956年，美國物理學(xué)家萊茵斯在一個(gè)核反應(yīng)堆發(fā)射的中微子洪流中，通過中微子與構(gòu)成原子核的質(zhì)子碰撞時(shí)發(fā)出的頻閃首次證實(shí)了中微子的存在。他也因?yàn)檫@項(xiàng)成果在1995年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

 中微子有何作用？

地球上各個(gè)地方的探測(cè)器偶爾會(huì)記錄到超高能 (UHE) 宇宙射線的到來。這些原子核以極高的速度撞擊大氣層，導(dǎo)致單個(gè)粒子包含的能量和一個(gè)擊球良好的網(wǎng)球一樣多。研究人員想要查明它們的來源，但由于原子核帶電，太空中的磁場扭曲了它們的路徑，使它們的起源模糊不清。理論認(rèn)為，當(dāng)超高能 (UHE) 宇宙射線從源頭發(fā)出，在碰撞來自宇宙微波背景的光子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生所謂的“宇宙中微子”。由于不帶電，這些中微子像箭一樣筆直地飛向地球。

圖：耀變體將中微子和伽馬射線射向地球

這就是中微子的作用所在：它是除了電磁波外，攜帶著宇宙中核反應(yīng)信息的另一位信使。天體的核反應(yīng)會(huì)發(fā)射出中微子，它們以光速穿越星系，且不與遍布宇宙的電磁波輻射發(fā)生相互作用，星系的磁場也不會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生影響，其攜帶的最原始的信息得以被保留。如此特殊的性質(zhì)使中微子可用于研究深空中所發(fā)生的一些天文現(xiàn)象。因此，自引力波之后，人類探索宇宙的下一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為或許就藏在宇宙中微子中。

如何探測(cè)中微子？

中微子難以捉摸的特性也導(dǎo)致了中微子的探測(cè)極端困難。眾所周知，中微子幾乎不會(huì)與物質(zhì)相互作用。這使得此時(shí)此刻，有數(shù)萬億個(gè)中微子穿透讀者的身體，只有極少數(shù)的中微子會(huì)與身體里的原子發(fā)生相互作用，從而暴露出它們的行蹤。因此，必須監(jiān)測(cè)大量物質(zhì)才能捕獲少量與原子碰撞的中微子。

此類最大的探測(cè)器是位于南極洲的“冰立方”（IceCube）中微子天文臺(tái)。其位于南極洲約2.4公里深的冰層下1立方公里的冰塊內(nèi)，由86根裝備了傳感器的電纜所組成，每根電纜包含有60個(gè)光學(xué)傳感器，這5160個(gè)傳感器的使命就是觀察冰層里中微子與原子碰撞產(chǎn)生的閃光。

傳統(tǒng)的中微子探測(cè)器，比如位于日本的“超級(jí)神岡(super-kamiokande)”探測(cè)器是水罐，建立在廢棄的礦井之下。而“冰立方”中微子天文臺(tái)的大小為超級(jí)神岡的2萬倍，但成本僅為其2倍。

南極“冰立方”中微子天文臺(tái)

自 2010 年竣工以來，“冰立方”已探測(cè)到許多深空中微子，但只有少數(shù)幾個(gè)被稱為Bert、Ernie和Big Bird的深空中微子能量接近 10 拍電子伏 (1PeV=1000TeV，1000萬億電子伏特)。“這是宇宙中微子的預(yù)期能量” ，烏普薩拉大學(xué)教授、“冰立方”團(tuán)隊(duì)成員的Olga Botner說，“為了在合理的時(shí)間內(nèi)探測(cè)到能量更高的中微子，我們需要監(jiān)測(cè)更大體積的冰。”

中微子探測(cè)的最新進(jìn)展

還有一種探測(cè)方法是利用中微子撞擊產(chǎn)生的另一個(gè)信號(hào)：無線電波脈沖。由于波在冰內(nèi)傳播的距離可達(dá)1公里，所以在靠近冰面的地方，分布廣泛的無線電天線陣列可以監(jiān)測(cè)到更大體積的冰，且成本比“冰立方”更低。

由芝加哥大學(xué)、布魯塞爾自由大學(xué)和德國加速器中心 DESY領(lǐng)導(dǎo)的格陵蘭島射電中微子天文臺(tái) (RNO-G) 是第一個(gè)協(xié)同測(cè)試該概念的項(xiàng)目。到 2023 年建成后，RNO-G將擁有 35 個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)包含24個(gè)天線，總面積達(dá) 40 平方公里。此前，該團(tuán)隊(duì)在格陵蘭島冰原頂端美國運(yùn)營的峰頂研究站附近安裝了第一個(gè)站點(diǎn)，并已轉(zhuǎn)移到第二個(gè)站點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)希望捕獲的深空中微子被認(rèn)為發(fā)源于猛烈的宇宙“引擎”——最有可能的能量來源是吞噬著周圍星系物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞?！氨⒎健币呀?jīng)追蹤到的兩個(gè)能量低于 Bert、Ernie 和 Big Bird 的深空中微子便來自具有大質(zhì)量黑洞的星系——這表明科學(xué)家的研究在正確的軌道上。但科學(xué)家還需要更多能量更高的中微子來證實(shí)這一聯(lián)系。

除了確定UHE 宇宙射線的來源之外，研究人員還希望中微子能顯示出這些粒子是怎么來的。目前，探測(cè)UHE宇宙射線的兩種主要儀器在構(gòu)成上有所不同。來自猶他州望遠(yuǎn)鏡陣列的數(shù)據(jù)推測(cè)它們完全由質(zhì)子演變的，而阿根廷的皮埃爾·奧格天文臺(tái)表示質(zhì)子中混合了較重的原子核。由這些粒子產(chǎn)生的中微子的能譜應(yīng)該根據(jù)它們的組成而有所不同——這反過來又可以為它們的加速方式和加速位置提供線索。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人之一、弗里德里希亞歷山大大學(xué)埃爾蘭根 - 紐倫堡分校的Anna Nelles 表示，RNO-G 可能會(huì)捕獲足夠多的中微子，從而揭示這些明顯的能量差異。她估計(jì) RNO-G 每年可能捕獲多達(dá)3個(gè)宇宙中微子。但是，“如果不走運(yùn)的話，探測(cè)到的數(shù)量可能會(huì)非常少，以至于只探測(cè)到一個(gè)可能就需要數(shù)萬年?！?/p>

即使 RNO-G 被證明是一個(gè)等待游戲，它同時(shí)也是一個(gè)更大的無線電陣列測(cè)試平臺(tái)，分布超過 500 平方公里，計(jì)劃作為“冰立方”升級(jí)的一部分。如果宇宙中微子存在，第二代“冰立方”會(huì)找到它們，并解決它們是什么的問題。