冰立方——深藏南極冰下的中微子探測器

文|奇 云

冰立方
——深藏南極冰下的中微子探測器

文|奇 云

2010年12月18日，歷時10年、耗資2.71億美元的“冰立方”中微子探測器，在寒冷而神秘的南極宣告建成。這一科學(xué)探索項目，將利用南極極為純凈的古老堅冰層作為“望遠(yuǎn)鏡”，搜尋來自茫茫宇宙空間的高能基本粒子——中微子……

2010年12月18日，歷時10年、耗資2.71億美元的“冰立方”中微子探測器，在寒冷而神秘的南極宣告建成。這一科學(xué)探索項目，將利用南極極為純凈的古老堅冰層作為“望遠(yuǎn)鏡”，搜尋來自茫茫宇宙空間的高能基本粒子——中微子。項目由美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校領(lǐng)導(dǎo)，比利時、德國、荷蘭、日本、英國、新西蘭和瑞典等國家的40多個學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參與，是目前世界上最大的中微子探測器。

“冰立方”中微子探測器位于南極大陸冰床上，毗鄰美國阿蒙森-斯科特南極站。這里海拔約2835米，冰床厚度約2850米。有記錄的氣溫在-13.6℃至-82.8℃之間，年平均氣溫-49℃。之所以要在南極這個極度寒冷的冰雪世界建造探測器，是因為這里的冰雪異常純凈，冰塊里沒有氣泡或氣穴，不會產(chǎn)生自然輻射，不會造成檢測數(shù)據(jù)的失真。還有就是，把探測器埋到冰川深處，是為了過濾掉宇宙中除了中微子以外的其他輻射。總體上說，一架中微子探測器必須具有足夠大的尺度，以便探測來自宇宙的微弱中微子流；要足夠透明，以便光線可以在光學(xué)探測器陣之間傳播；要足夠深，以便屏蔽來自地球表面的干擾。同時，還要在經(jīng)費上可以承受。純凈、高透明并且不具有放射性的南極大陸冰床，自然成為了探測中微子的理想介質(zhì)。同時，美國自然科學(xué)基金會下屬的阿蒙森-斯科特南極站所提供的在基礎(chǔ)設(shè)施上的便利，也為建造“冰立方”和開展中微子探測掃除了障礙。

神秘難測的“中微子”

科學(xué)界對中微子了解極晚。20世紀(jì)初，當(dāng)物理學(xué)家把一次放射性衰變前后的能量和動量加起來的時候，他們發(fā)現(xiàn)兩者無法平衡。1931年，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?，通過大量的理論推理與計算作出了天才的預(yù)言：一種尚未被探測到的粒子帶走了這部分不見了的能量和動量。科學(xué)家們給這種假想中的粒子起了個名字叫“中微子”，意思是“中性的小不點兒”。然而由于中微子和物質(zhì)的相互作用極其微弱，因此探測它幾乎成了不可能完成的任務(wù)。事實上，直到1956年科學(xué)家使用核反應(yīng)堆發(fā)射出的中微子“洪流”才探測到了這些粒子。物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎。

中微子是組成自然界最基本的粒子之一。當(dāng)宇宙射線中的高能粒子轟擊其他物質(zhì)原子時，將產(chǎn)生輻射和中微子。中微子不帶電，幾乎沒有質(zhì)量，推算其質(zhì)量輕到小于電子質(zhì)量的百萬分之一，并能以接近光速的運動速度自由地穿過墻壁、山脈乃至地球與其他行星。物理學(xué)家估計，中微子能夠穿透厚度比地球到太陽的距離還高出幾十億倍的鐵板。如果有數(shù)光年厚的一個鉛板做成的壁壘的話，中微子也能從容地穿過而不“驚擾”其中的任何一個原子。

中微子的難以捉摸，既是一個好消息，也是一個壞消息。一方面，中微子不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，意味著它們可以輕易地逃離產(chǎn)生它們的地方并且把信息傳遞給我們。例如，太陽中心核聚變所產(chǎn)生的中微子可以毫發(fā)無損地穿越太陽的外部包層以及地球大氣。探測它們使得我們可以直視太陽的心臟。這是有利的一面。不利的一面是，由此對中微子的探測也會變得極為困難。

從20世紀(jì)60年代開始，美國賓夕法尼亞大學(xué)的雷·戴維斯首次進(jìn)行了對中微子的探測嘗試。戴維斯把他的實驗放到了位于美國南達(dá)科他州霍姆斯特克金礦地下1.6千米深的地方。在那里有厚厚的巖層保護(hù)著實驗裝置。他的目標(biāo)是要尋找太陽中心核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的中微子。戴維斯的實驗結(jié)果出乎所有人的預(yù)料。他確實探測到了太陽的中微子。戴維斯也因此獲得了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎。

繼戴維斯的成功之后，物理學(xué)家們又建造了第二代中微子探測器。所有的設(shè)備都是深藏于北美、歐洲和日本地下的大質(zhì)量標(biāo)靶探測器。許多人采用了一種新的探測策略，即用超純水作為標(biāo)靶。當(dāng)中微子從水中穿過的時候，通過核反應(yīng)會產(chǎn)生出一個帶電粒子。在水中這個粒子會發(fā)出錐形的藍(lán)色光脈沖。圍繞水箱放置的一系列探測器會探測這些輻射。如日本超級神岡探測器裝置設(shè)在神岡町地下一公里深處被廢棄的鋅礦坑中，那里建造了一個巨大水池，裝有5萬噸水，周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。當(dāng)中微子通過這個水槽時，與水中氫原子核發(fā)生撞擊的幾率相當(dāng)高。碰撞發(fā)生時產(chǎn)生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大，并通過轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號送入計算機(jī)，供科學(xué)家們分析。

中微子現(xiàn)在是科學(xué)界的當(dāng)紅明星，為了研究它而建的實驗室有很多。目前，在中微子研究領(lǐng)域，日本和美國處于領(lǐng)先地位。尤其美國，對中微子研究非常重視。

揭開“冰立方”的面紗

位于南極的“冰立方”中微子探測器，是有史以來建造的最壯觀的中微子探測器。在這個探測器中，冰取代了以往探測系統(tǒng)中的超純水作為探測標(biāo)靶和監(jiān)測中微子相互作用產(chǎn)物的媒質(zhì)?！氨⒎健痹隗w積為1立方千米的六角形的廣闊冰層上，以125米的間隔，鉆探86個深度達(dá)2500米的冰洞。研究者將一串間隔17米設(shè)置的60個光學(xué)探測器用電纜連接起來，并把串聯(lián)有60個光學(xué)探測器的電纜下放到每一個冰洞中，光學(xué)探測器處于冰洞1450~2450米深處的位置。86個冰洞共放置5160個光學(xué)探測器。

光學(xué)探測器是“冰立方”的基本探測裝置，是一只籃球大小的玻璃壓力容器。其內(nèi)部的主要元件是光電倍增管。通過光電效應(yīng)，光電倍增管可以把由中微子相互作用產(chǎn)生的切倫科夫光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這些電信號會被計算機(jī)芯片捕捉到并且數(shù)字化，進(jìn)而傳輸?shù)奖嫔系挠嬎銠C(jī)中。我們可以把光學(xué)探測器想象成5160臺獨立工作的計算機(jī)，它們時刻向表面?zhèn)鲗?dǎo)著它們探測到的光信號。

其光學(xué)探測器里的時鐘彼此誤差始終控制在納秒以內(nèi)。這些信息使得科學(xué)家們可以重建中微子事件，并且可以推算出它們到達(dá)的方向和能量。

為了安裝光學(xué)探測器，首先要用增強(qiáng)型高壓熱水鉆探機(jī)在南極冰層中鉆冰洞。當(dāng)光學(xué)探測器被放入冰洞之后，接著往這個洞里注滿水并讓它重新凍結(jié)。當(dāng)冰洞重新凍結(jié)之后，冰洞內(nèi)的光學(xué)探測器被包裹起來，永遠(yuǎn)埋藏在-20℃至-30℃之間的冰洞中。玻璃罩則負(fù)責(zé)保護(hù)光學(xué)探測器免遭冰下的巨大壓力破壞。在未來25年里，這些被埋入冰層中的光學(xué)探測器，將檢測并傳輸有關(guān)粒子碰撞的實驗數(shù)據(jù)。

中微子物理學(xué)是一門與粒子物理、核物理以及天體物理的基本問題息息相關(guān)的新興分支科學(xué)，人類已經(jīng)認(rèn)識了中微子的許多性質(zhì)及運動、變化規(guī)律，但是仍有許多謎團(tuán)尚未被解開。揭開關(guān)于中微子的各個謎團(tuán)，既是深入認(rèn)識微觀世界的需要，也是深入認(rèn)識宏觀世界的需要。一旦“冰立方”完全正式投入運行，它可能在未來10年內(nèi)記錄下百萬次以上的宇宙深處高能中微子事件。這將為科學(xué)家們提供一個巨大的數(shù)據(jù)庫，用來分析研究一些劇烈的天體事件，這對于探索宇宙和天體的起源、演化均有著極不尋常的意義。

對中微子的研究，不僅具有重要的理論意義，而且在日常生活中也有現(xiàn)實意義。其中可能的應(yīng)用之一就是中微子通訊。由于地球表面是球面，加上表面建筑物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛(wèi)星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿過地球時損耗很小，用高能加速器產(chǎn)生10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減千分之一，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。將中微子束加以調(diào)制，就可以使其包含有用信息。應(yīng)用之二是中微子地球斷層掃描，即給地球做CT。中微子與物質(zhì)相互作用截面隨中微子能量的提高而增加，用高能加速器產(chǎn)生

能量為一萬億電子伏以上的中微子束定向照射地層，與地層物質(zhì)作用可以產(chǎn)生局部小“地震”，類似于地震法勘探，可對深層地層進(jìn)行勘探，對地層進(jìn)行一層一層地掃描?！氨⒎健钡氖紫茖W(xué)家弗朗西斯·豪森指出，“冰立方”的建成，有可能為中微子研究帶來全新的發(fā)現(xiàn)。