冰立方,深藏南极冰下的中微子探测器

深藏南极的“冰立方”

2010年底，历时10年、耗资2.71亿美元的“冰立方”(ICOCube)中微子探测器，在寒冷而神秘的南极宣告建成。这一创新型科学探索项目，利用南极极为纯净的古老坚冰层作为“望远镜”，搜寻来自茫茫宇宙空间的高能基本粒子——中微子。

“冰立方”中微子探测器项目是一个国际合作项目，由美国威斯康星大学麦迪逊分校领导，比利时、德国、荷兰、日本、英国、新西兰和瑞典等国家的40多个学术机构参与，是目前世界上最大的中微子探测器。整个“冰立方”项目投资2.79亿美元，其中美国国家科学基金会承担80％投资，剩下的20％由7个参与国分担。科学界称，“冰立方”的建成，是国际粒子物理研究的重大成果。

“冰立方”中微子探测器位于南极大陆冰床上，之所以要在南极这个极度寒冷的冰雪世界建造探测器，是因为这里的冰雪异常纯净，冰块里没有气泡或气穴，不产生自然辐射，不会造成检测数据的失真。另外，把探测器埋到冰川深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。总体上说，一架中微子探测器必须具有足够大的尺度，以便探测来自宇宙的微弱中微子流；要足够透明，以便光线可以在光学探测器阵之间传播；要足够深，以此来屏蔽来自地球表面的干扰。同时，还要在经费上可以承受。纯净、高透明并且不具有放射性的南极大陆冰床，自然成为了探测中微子的理想介质。

神秘难测的“中微子”

中微子是组成自然界的最基本的粒子之一。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。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然放射性(贝塔衰变)、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100个中微子。

科学界对中微子了解极晚。仅已知它是轻子的一种，不带电，几乎没有质量，推算其轻到小于电子质量的百万分之一，并能以接近光速的运动自由地穿过墙壁、山脉、地球与其他行星。物理学家估计，中微子能够穿透厚度比地球到太阳的距离还高出几十亿倍的铁板。如果有数光年厚的一个铅板做成的壁垒的话，中微子也能从容穿过而不“惊扰”其中的任何一个原子。

由于中微子非常微小，几乎没有质量，不带电，因此它穿过任何物质时通常不会与物质的原子发生碰撞；在100亿个中微子中，只有一个会与物质的原子发生碰撞。中微子与原子相撞产生的粒子名叫“介子，生成的蓝色光束被称作“切伦科夫光”。正因为中微子可以自由地穿过各种天体而很少留有痕迹，故很难发现和探测它们，号称宇宙间的“隐身人”。

20世纪初，当物理学家把一次放射性衰变前后的能量和动量加起来的时候，他们发现两者无法平衡。1931年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利，通过大量的理论推理与计算作出了大胆的预言：一种尚未被探测到的粒子带走了这部分不见了的能量和动量。科学家们给这种假想中的粒子起了个名字叫“中微子”，意思是“中性的小不点儿”。然而由于和物质的相互作用极其微弱，因此探测中微子几乎就成了不可能的任务。事实上，直到1956年科学家使用核反应堆发射出的中微子“洪流”才探测到了这些粒子。物理学家弗雷德里克·莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

中微子的难以捉摸既是一个好消息也是一个坏消息。一方面，中微子不与物质发生相互作用意味着它们可以轻易地逃离产生它们的地方并且把信息传递给我们。例如，太阳中心核聚变所产生的中微子可以毫发无损地穿越太阳的外部包层以及地球大气。探测它们使得我们可以直视太阳的心脏。同时，中微子还可以不受充斥在宇宙中的微波辐射的影响穿行于星系之间。星系的磁场不会对它们造成影响，但对于普通带电粒子(例如质子和电子)却并非如此。这些特性使中微子成为了携带宇宙中最剧烈现象信息的理想载体。这些现象包括了活动星系核以及会产生v射线暴——宇宙中最猛烈的爆发——的黑洞并合。这是好的一面。坏的一面是，由此对中微子的探测也会变得极为困难。

20世纪60年代开始，美国宾夕法尼亚大学的雷·戴维斯进行了首次中微子的探测尝试。他为中微子设定的标靶是一大罐四氯乙烯——种干洗化学剂和氯的原料。戴维斯把他的实验放到了位于美国南达科他州霍姆斯特克金矿地下1.6千米深的地方。在那里有厚厚的岩层“保护”着实验装置。他的目标是要寻找太阳中心核聚变反应所产生的中微子。在他充满液体的大罐子里，每一天这些太阳中微子会把一个氯原子转变成一个氩原子。为此他不得不在这片清洁的海洋中寻找这些孤独的氩原子。与之相比，“大海捞针”简直就是儿戏!就像以往科学家探索新疆域一样，戴维斯的实验结果出乎了所有人的预料。他确实探测到了太阳的中微子。戴维斯也因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。继戴维斯的成功之后，物理学家们又建造了第二代中微子探测器。所有的都是深藏于北美、欧洲和日本地下的大质量标靶探测器。许多人采用了一种新的探测策略，即用超纯水作为标靶。当中微子从水中穿过的时候通过核反应会产生出一个带电粒子。在水中这个粒子会发出锥形的蓝色光脉冲，即切伦科夫辐射——以俄罗斯物理学家帕维尔·切伦科夫命名。围绕水箱放置的一系列探测器会探测这些辐射。这些实验的策略很简单一大量的水既能作为和中微子相互作用的标靶，也能用作探测这一相互作用产物的媒质。

探测中微子必须有足够大的探测阵列，才能找到数量足够多的中微子。科学家认为，一台大型中微子观测站必须具有千米的探测物质尺度才能有效探测来自宇宙的中微子，探测物质还必须要足够透明，以便光线可以在传感器阵之间传播，还应有足够深度以屏蔽来自地球表面的干扰。于是，人们想到了漆黑的湖底或深海才能满足这些要求。科学家们首先在夏威夷建造深海水下中微子探测器，它虽然没有成功，却为日后研发现今所采用的技术开创了新路。目前，世界上建在水下的中微子探测器包括贝加尔湖中微子探测器、中微子天文学望远镜与深海环境研究工程和海洋学研究中微子扩展水下望远镜，这两者均位于地中海。

揭开“冰立方”的面纱

不过，当涉及要搜寻和极端剧烈的现象相关联的罕见中微子时，超纯水探测器虽然很巨大，但对于这个任务而言还是太小。这些由高能现象发出的中微子非常稀有，如果使用几十米见方的水箱，那么科学家也许不得不要等上几十年才会有一个这样的中微子和水箱中的一个原子发生相互作用。因此现在需要的是一个能覆盖几千米见方巨大体积的探测器。

位于南极的“冰立方”中微子探测器包含了1立方千米的冰，可能是

有史以来所建造的最壮观的中微子探测器。在这个探测器中，冰取代了以往探测系统中的超纯水做为探测标靶和监测中微子相互作用产物的媒质。“冰立方”在体积为l立方千米的六角形的广阔冰层上，以125米的间隔，钻探86个深度达2500米的冰洞。将一串间隔17米设置的60个光学探测器(DOM)用电缆连接起来，并把串联有60光学探测器的电缆下放到每一个冰洞中，光学探测器处于冰洞1450米至2450米深处的位置。86个冰洞共放置5160个光学探测器。

光学探测器是“冰立方”的基本探测装置，这是一个篮球大小的玻璃压力容器。内部的主要原件是光电倍增管。通过光电效应，光电倍增管可以把由中微子相互作用产生的切伦科夫光信号转换成电信号。这些电信号会被计算机芯片捕捉到并且数字化，进而传输到冰面上的计算机中。我们可以把光学探测器想象成5160台独立工作的计算机，它们时刻向表面传输着它们探测到的光信号。其光学探测器里的时钟彼此的误差始终控制在纳秒以内。这些信息使得科学家们可以重建中微子事件，并且可以推算出它们的到达方向和能量。通过上述这些手段，“冰立方”把深度在1450米～2450米之间的1立方千米的冰层变成了一个宇宙中微子探测器。

为了安装光学探测器，首先用增强型高压热水钻探机在南极冰层中钻冰洞。使用功率5兆瓦的高压热水钻探机，在不到2天的时间里，可以在冰层上钻出一个0.5米宽、2.5千米深的洞。由于冰是极佳的绝热材料，因此水在24小时之内都不会结冰，这就为部署光学探测器、架设用于电力和信号传输的电缆提供了足够的时间。“冰立方”一共有80个冰洞，当光学探测器放入冰洞之后，接着往这个洞里注满水并让它重新冻结。当冰洞重新冻结之后，冰洞内的光学探测器被包裹起来，永远埋藏在20℃～30℃之间的冰洞中。玻璃罩则负责保护光学探测器免遭冰下的巨大压力破坏。在未来25年里，这些埋人冰层中的光学探测器，将检测并传输有关粒子碰撞的实验数据。

据研究人员介绍，每天将会有数十个中微子从“冰立方”中穿过，而它们可能会与冰中的氢原子或氧原子相撞。此时，将会有一个带电的μ介子(一种重基本粒子)通过弱相互作用而产生出来。在极度透明的冰中，μ介子在行进过程中会发出短暂可见的蓝光——切伦科夫光，从而被光学探测器探测到并记录下来。光学探测器将光信号转换成电信号，通过电缆传输到地面实验室。研究人员利用这些信息，从μ子的路径可以反推出μ中微子的入射方向，科学家们进而就会判断出μ中微子究竟来自哪个遥远的天体源。简而言之，冰立方的探测原理就是通过探测光信号来重建带电轻子的轨迹，从而推断出相应的超高能中微子从何而来、能量大小和它们所携带的其他物理信息。最理想的数据往往来自于中微子穿过地球并从下方撞向冰层。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年第一台光学探测器被埋入冰洞以来，他们已经探测到了若干次这样的撞击事件。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。

中微子研究意义重大

对中微子的研究，可以揭示浩瀚的太空深处各种星体的奥秘。这是因为从星球内部发出的光很难穿过庞大的星球，我们现在所观测到的星光、太阳光只是星球、太阳表面发出的光，只有中微子才能畅通无阻地将星球、太阳内部的信息带给我们。因此，揭开关于中微子的各个谜，既是深入认识微观世界的需要，也是深入认识宏观世界的需要。一旦“冰立方”完全正式投入运行，它可能在未来10年内记录下百万次以上的宇宙深处高能中微子事件。这将为科学家们提供一个巨大的数据库，用来分析研究一些剧烈的天体事件，这对于探索宇宙和天体的起源、演化均有着极不寻常的意义。

中微子物理学是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律，但是仍有许多谜团尚未解开。诸如：中微子的质量问题到底是怎么回事?中微子有没有磁矩?有没有右旋的中微子与左旋的反中微子?有没有重中微子?太阳中微子有没有失踪?太阳中微子的强度有没有周期性变化?太阳中微子失踪的原因是什么?有没有中微子振荡?宇宙背景中微子怎样探测?它在暗物质中占什么地位?有没有中微子星?恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘?这些谜点正是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。

对中微子的研究，不仅具有重要的理论意义，在日常生活中也有现实意义。其中可能的应用之一就是中微子通信。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通信卫星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通信联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站。应用之二是中微子地球断层扫描，即给地球做CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加，用高能加速器产生能量为l万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层，与地层物质作用可以产生局部小“地震”，类似于地震法勘探，可对深层地层也进行勘探，将地层一层一层地扫描。“冰立方”的首席科学家弗朗西斯·豪森指出，每次当科学家们使用了更为先进的工具，他们就能发现新的东西。而“冰立方”的建成，就有可能为中微子研究带来全新的发现。

(责任编辑　刘俊)

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