穿过我们的身体,甚至穿过整个地球,“宇宙中最害羞的粒子”——中微子通常不留痕迹。不过,在南极深冰下,来自遥远宇宙的高能中微子偶尔也会因与原子核的碰撞而激起微光。这些微光由埋在冰中的探测器记录下,我们就可能读到“宇宙来信”。
为接收这样的“来信”,2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑和同行,把1立方千米南极深冰变成了一座特殊“邮箱”——冰立方中微子天文台。
每秒,约有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指甲,它们既让你毫无察觉,也让科学家难以探测。还有一些中微子或从遥远的宇宙传来。其中有些中微子的能量远高于太阳中微子,数量却稀少得多,可能带来它们诞生之地的消息。
直接追踪这些粒子并不容易。
1988年在波兰举行的一次会议上,哈尔岑和同行首次提出在南极利用冰层建设中微子天文台的构想,希望以足够大的探测体积,捕捉极少数中微子与原子核发生相互作用后产生的信号。
“我们的最大风险是,没有人知道,1立方千米的探测器究竟是否足够大,大到能够发现来自地球大气层之外、来自宇宙的中微子。”哈尔岑6日在获奖后回忆说。
中微子本身并不发光。但当它偶尔撞上冰中的原子核,就可能产生一些带电粒子。这些粒子高速运动时,会发出微弱的光。
要捕捉这种微光,需要在冰层中布设光传感器。根据接收到的光量,可以估算粒子在冰中留下了多少能量;再根据光到达不同传感器的时间差,推算中微子的来向。
怎样把这些传感器送进深冰?研究人员用高压热水在冰层中融出深孔,再把串有光传感器的长缆缓缓放进去。
前期实验逐渐证明了这条路走得通,在此基础上建设的冰立方中微子天文台,到2011年达到完整规模:5160个光传感器分布在86条长缆上,主要阵列位于冰面下1450米至2450米,覆盖约1立方千米冰体。 仪器建成后,还要辨认信号:宇宙射线也会在大气层中产生中微子,要寻找来自遥远宇宙的中微子,需要科学家对探测到的事件进行筛选,分析粒子的能量、方向等特征。
2013年,研究团队报告了两个能量极高的中微子事件,获得了具有天体物理起源的高能中微子的首批证据。后来研究团队识别出更多高能事件,并确认了来自地球大气层之外的高能中微子。
不过,“寄信人”的信息还很模糊。星系NGC 1068是受到关注的候选来源之一,但有关证据尚不足以作出判定;冰立方也发现了银河系的高能中微子信号,但尚未能锁定具体的源头。
尽管这些宇宙“来信”的具体出处仍待追索,中微子探测的边界已被拓宽。人类此前已经探测到来自太阳和超新星的中微子,冰立方则把探测推广到更高能量范围,使中微子天文学“跃升到了一个新的高度”。
诺贝尔物理学委员会委员、瑞典乌普萨拉大学教授奥勒·埃里克松说,冰立方探测到的高能中微子带来了遥远宇宙事件的信息,帮助人类更深入地认识所处的世界。这不只是深奥的科学,很多时候,这类科学成就最终会产生实际应用。
(据新华社斯德哥尔摩10月6日电)

