南极冰下数千探测器探秘宇宙射线

摩发国际 · 发表于 2016-11-22 07:35:26

南极是进行此项研究的最佳场所，因为这里的冰雪异常纯净，几乎完全不含气泡和其他可能影响探测结果精确性的干扰。这是上覆巨厚冰雪层压力的结果

　　据国外媒体报道，深埋在南极洲广袤冰雪之下的一台“望远镜”将有望帮助科学家们确定来自外太空，不断轰击地球的宇宙射线和粒子究竟来自何方。

　　在过去的10年间，科学家们一直在奋力设计并建造一个雄心勃勃的实验装置，以便搞清楚是何种机制产生了宇宙射线，以及一种名为中微子的基本粒子，这种粒子难以捉摸，却到处存在。他们将数千台探测器深埋到南极洲冰雪下超过1英里（约1.6公里）深处。当宇宙射线和这种粒子和南极洲冰雪中的原子发生碰撞时，会产生转瞬即逝的蓝光闪烁，这些探测器极度敏感，可以记录下这些闪光。通过对撞击产生的闪光特征的记录，探测器能够锁定它们的运行路径，从而帮助科学家确定它们到底来自银河系中的什么方位。

　　尽管这台耗资2.71亿美元，被科学家们称作“冰立方”（ICECUBE）的中微子天文台尚未建成，其最后一批探测器计划今年12月份才会安装到位，但是对其探测数据的分析已经迫不及待地开始了。初步的结果显示大量宇宙射线似乎都来自一个靠近船帆座的天区，这是一个位于南天的星座。长期以来这里便被认为存在一个强辐射源。

　　科学家们现在希望当这台设备最终建成之后将帮助他们确定到底是何种机制生成了这些自由穿越于星系之中的高能宇宙射线以及中微子。最近有研究指出星系宇宙射线会对地球气候造成影响，从而改变天气情况和云层状况。宇宙射线是一种以接近光速运行的高能粒子流，它们冲入地球大气层，和空气中的原子发生碰撞，会导致空气中产生电荷，从而诱发闪电和雷暴的发生。

　　一直以来，科学界一直认为宇宙射线和中微子产生于超新星爆发或者超大质量黑洞。但是近些年来这种理论开始受到质疑。科学家们现在希望“冰立方”实验能给出一个答案。素比·萨卡尔（Subir Sarkar）教授来自牛津大学，是一位粒子天体物理学家，他领导了参加“冰立方”实验项目的英国团队。他说：“100年前我们就发现了宇宙射线，但是直到现在我们仍然对它的来源一无所知。乍一看，你可能会觉得冰立方是一个疯狂的实验计划。你不是想研究天上吗？可你却把自己埋进地下。但这确实是一种反向追踪其来源路径的新思路。”

　　“这一计划真正让人兴奋的地方是对宇宙射线和中微子的研究可以给我们一个看待宇宙的全新视野，并让我们得以窥视之前无法企及的区域。就目前来说，我们还无法透过黑洞外围厚厚的尘埃和气体带一窥黑洞本身，但是如果这些高能粒子是从这些区域产生的，那么我们将可以经由对这些粒子的研究获取关于这一区域的信息。”

　　当宇宙射线中的高能粒子轰击其他物质原子，将产生辐射和中微子。中微子是宇宙中除了光子之外最多的例子。但是它们却是最难以探测的粒子，因为它们不带电荷，并且几乎没有质量，这意味着它们可以畅通无阻的穿过岩石、金属，甚至人体。在极少的情况下，中微子会撞到原子。这样的结果是产生一种叫作μ子的粒子，这是中微子的一种，以及一种特征蓝光闪烁，探测器可以捕获这种闪烁。

　　南极是进行此项研究的最佳场所，因为这里的冰雪异常纯净，几乎完全不含气泡和其他可能影响探测结果精确性的干扰。这是上覆巨厚冰雪层压力的结果，由于设施位于地下1.2英里（1900米）处，上面覆盖的冰雪层很厚。到最终建成时，科学家们计划在这里安装超过5000台光学探测设备，覆盖大约1立方公里的冰雪层。科学家预料这种和中微子的碰撞事件发生概率极低，可能每年只会出现几次，但是自从2006年第一台探测器被埋入地下以来，他们已经探测到了若干次这样的撞击事件。

　　此项大型国际合作项目由美国威斯康星大学麦迪逊分校领导，目前参与研究的科学家们正在想办法扩大实验的规模。本周在布鲁塞尔召开的一次会议上，科学家们提出了一个设想，即建立一个覆盖数百英里的探测设备阵列，在冰下普遍放置无线电波探测器，然后研究人员则通过监听无线电波的变化来判断中微子撞击事件的发生。高度敏感的麦克风也可以被用来监听冰层中撞击事件产生的独特声响。（晨风）

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