粒子探测器“冰立方”：藏在南极的中微子“捕手”

位于美国阿蒙森-斯科特南极站（Amundsen-Scott South Pole Station）的冰立方天文台在朝霞中迎接破晓，这里是科学家们处理冰下传感器数据的地方。

①科学家正在标示一架粒子探测传感器，它是冰立方中微子天文台上的部分装置，该天文台于2010年12月份在南极建造完工。

②冰立方建设小组的成员在测试传感器（图左部分显露），另一位科学家正在将一个单独的传感器挂在电缆上。

③在这张拍摄于2010年12月的照片中，一架冰立方传感器正在被放入钻好的冰洞中，这样的冰洞共有86个。

　　就像英国粒子天体物理学家素比·萨卡尔（Subir Sarkar）教授所说：“你不是想研究天上吗？可你却把自己埋进地下”。果然，被安装于南极深厚冰层之下的 “冰立方”传来了好消息。

　　就在嫦娥三号成功发射的几天前，一项宇宙射线研究有了最新结果，被称为“冰立方（IceCube）”的中微子探测器首次探测到来自外太空的中微子。

　　新闻缘起

　　“冰立方”捕获来自太阳系外的中微子

　　在分析了2010年5月至2012年5月“冰立方”收集的数据后，科学家发现了28个高能中微子，其能量都超过30万亿电子伏特。这是自1987年以来，科学家们首次捕获到来自太阳系外的中微子。

　　微中子是一种神秘的高能粒子，是宇宙内最剧烈的撞击产物，并被认为是研究宇宙射线的突破口。

　　研究人员表示，“冰立方”为我们打开了宇宙的一个新窗口。这一发现为进行新型天文学研究铺平了道路，我们可以利用探测器探测银河系以及银河系以外的遥远区域。

　　研究报告的作者之一、阿德莱德大学的加里·希尔博士称：“这是我们发现的第一个坚实证据，证明我们探测到来自太阳系以外‘宇宙加速器’的高能微中子。”

　　“捕手”揭秘

　　5000多个“神经末梢”

　　“冰立方”是世界上最大的粒子探测器，座落于南极。5000多个传感器像神经末梢一样分布在南极深厚的冰层中，组成了这张特制的“网”，用于捕捉中微子，由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的200余名物理学家和工程师组成的合作小组来操作。

　　自2004年开始，工程师们都会在每年的12月到南极冰层中铺设光线感应器。到2010年，他们一共钻了80余个深达2500米的冰洞，每两个洞之间相隔800米，而每一条冻结在洞里面的电缆包含有60个光线感应器。

　　“冰立方”历时10年建成，这个位于南极地下约2.5千米的探测器体量大得惊人。有报道称，“冰立方”体积达到1立方公里，超过纽约帝国大厦、芝加哥威利斯大厦和上海世界金融中心的总和。

　　南极冰雪充当过滤网

　　此前，“冰立方”有前辈们被建立在了深达1千米的地下矿井中。但研究者认为，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。并且，冰充当了一个过滤网，过滤出中微子，使其更容易被观测到。此外，冰层也能保护望远镜免遭辐射侵蚀。

　　科学家们表示，随着更多的数据从“冰立方”中产出，不仅将帮助科学家确定宇宙射线的来源、暗物质和宇宙进化的影响等现象，它还会发现一些意想不到的现象。

　　探测原理

　　捕捉一闪即逝的蓝光

　　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粒子。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。

　　来自果壳网的文章称，中微子是粒子世界里出了名的“隐士”。它无影无踪，又来去匆匆。它几乎以光速运动，从它初生的地方沿着直线飞射出去。它的穿透性极强，拦在它路上的所有物质几乎都被无视。对它来说，太阳、地球乃至人体几乎就和不存在一样。

　　每秒钟都会有一千万亿个来自太阳的中微子穿过人的身体，其中上百亿穿过眼睛，甚至在夜晚，太阳位于地球另一边时也一样。

　　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（高速中微子在通过介质时，如果其速度大于光在这种介质中的传播速度，会产生蓝色辉光，即切连科夫辐射）。

　　“冰立方”中，中微子在与冰层中的氧原子发生相撞时，撞击会产生微弱的蓝色闪光，并且科学家可以根据蓝光判断微中子飞入探测器时的方向和能量。

　　“冰立方”的前辈

　　萨德伯里中微子观测站

　　萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory，缩写为SNO）是一个位于加拿大安大略省2100米深的镍矿中的中微子探测器，根据高速中微子在水中运动产生的切连科夫辐射探测中微子。萨德伯里中微子观测站于1999年5月正式启用，2006年11月28日关闭，但数据分析工作还在继续进行。

　　萨德伯里中微子天文台也是根据切连科夫辐射间接探测中微子。它的主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1000吨重水，容器壁用丙烯酸树脂制成，厚度为5厘米，容器的周围安装了9600个光电倍增管，用于探测切连科夫辐射的光子。

　　整个探测器浸泡在30米高的装满普通水的圆柱形容器中，安装在安大略省萨德伯里附近国际镍业公司的矿井里，深度达到6800英尺（2100米），这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽，以减轻干扰。

　　超级神冈探测器

　　超级神冈探测器（Super-Kamiokande）是日本建造的大型中微子探测器，最初目标是探测质子衰变，也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。它于1982年开始建造，1983年完工，位于日本岐阜县的一个深达1000米的废弃砷矿中，主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，盛有5万吨高纯度的水，容器的内壁上安装有11200个光电倍增管，用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。

　　1985年，探测器开始进行扩建，名为神冈核子衰变实验Ⅱ期（KamiokaNDE-Ⅱ），灵敏度大大提高。1987年2月，神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。

　　不得不说的大亚湾

　　发现中微子第三种震荡模式

　　中微子共有三种类型，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡。中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实，其发现者凭此获得了2002年诺贝尔奖，但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。由于科学意义重大，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案寻找中微子第三种振荡，最终进入建设阶段的共有3个。

　　2003年，中国科学院高能物理研究所的科研人员提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡，并提出了实验和探测器设计的总体方案。

　　由于这一方案具有独特的地理优势和独到的设计，得到了国际上的广泛支持，汇集了来自中国大陆、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾等国家和地区的200多名科学家共同参与。

　　大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，它通过分布在三个实验大厅的8个探测器来获取数据。每个探测器为直径5米、高5米的圆柱形，装满透明的液体闪烁体，总重110吨。周围紧邻的核反应堆产生海量的电子反中微子，近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。

　　在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了6个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明中微子第三种振荡几率为9.2％，误差为1.7％，从而首次发现了这种新的中微子振荡模式。