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为了捕捉深空中微子,天文学家在格陵兰的冰层中设置了陷阱

2021-07-15 10:36     来源:Science     中微子 宇宙射线原子核

旗帜标记了天线的位置,这些天线旨在检测冰中中微子碰撞产生的无线电脉冲。 克里斯托夫·韦林/RNO-G 合作/DESY

在格陵兰岛的冰盖高处,研究人员本周正在钻孔。但他们不是寻找过去气候线索的地球科学家。他们是粒子天体物理学家,正在寻找负责宇宙中能量最高粒子的宇宙加速器。通过在冰面及其下方数十米处放置数百个无线电天线,他们希望以比以往更高的能量捕获被称为中微子的难以捉摸的粒子。“这是一个发现机器,在这些能量下寻找第一个中微子,”芝加哥大学的 Cosmin Deaconu 在格陵兰岛峰会站说。

地球上其他地方的探测器偶尔会记录到超高能 (UHE) 宇宙射线的到来,这些原子核以如此高的速度撞击大气层,以至于单个粒子可以包含与击球良好的网球一样多的能量。研究人员想查明它们的来源,但由于原子核带电,太空中的磁场使它们的路径弯曲,从而掩盖了它们的起源。

这就是中微子的用武之地。理论家认为,当 UHE 宇宙射线从它们的源头发出时,它们会在与来自宇宙微波背景的光子碰撞时产生所谓的宇宙中微子,而这些光子遍布宇宙。由于不带电,中微子像箭一样笔直地飞向地球。困难在于抓住它们。中微子是出了名的不愿意与物质相互作用,这使得每秒钟都有数万亿个物质经过你而没有任何通知。必须监测大量物质才能捕获少量与原子碰撞的中微子。

最大的此类探测器是南极洲的 IceCube Neutrino Observatory,它观察南极下方 1 立方公里冰层中中微子原子碰撞产生的闪光。IceCube 的 Olga Botner 说,自 2010 年以来,IceCube 已经探测到了许多深空中微子,但只有少数(昵称包括 Bert、Ernie 和 Big Bird)的能量接近 10 拍电子伏特 (PeV),这是宇宙中微子的预期能量乌普萨拉大学的团队成员。“为了在合理的时间内探测到几个能量更高的中微子,我们需要监测大量的冰。”

一种方法是利用中微子撞击产生的另一种信号:无线电波脉冲。由于波在冰层内传播长达 1 公里,因此与冰立方相比,冰立方在冰层深处的长串光子探测器可以监测更大体积的冰,而且成本更低。由芝加哥大学、布鲁塞尔自由大学和德国加速器中心 DESY 领导的格陵兰射电中微子天文台 (RNO-G) 是第一个共同努力测试该概念的项目。到 2023 年建成后,它将拥有 35 个站,每个站包括两打天线,总面积达 40 平方公里。该团队上周在格陵兰冰盖顶端由美国运营的 Summit Station 附近安装了第一个站点,并已转移到第二个站点。环境偏远且无情。“如果你没有带来一些东西,你就无法快速发货,”Deaconu 说。“你必须凑合着你所拥有的。”

研究小组希望捕获的宇宙中微子被认为来自猛烈的宇宙引擎。最有可能的能量来源是超大质量黑洞,它们吞噬了周围星系的物质。IceCube 已经将两个能量低于 Bert、Ernie 和 Big Bird 的深空中微子追踪到具有大质量黑洞的星系——这表明它们走在正确的轨道上。但是需要更多能量更高的中微子来确认这种联系。

除了查明 UHE 宇宙射线的来源之外,研究人员还希望中微子能够展示这些粒子的构成。检测 UHE 宇宙射线的两种主要仪器的成分不同。来自犹他州望远镜阵列的数据表明它们完全是质子,而阿根廷的皮埃尔奥格天文台表明更重的原子核混合在质子中。由这些粒子产生的中微子的能谱应该根据它们的组成而有所不同——这反过来又可以提供关于它们如何以及在哪里加速的线索。

项目负责人之一、弗里德里希亚历山大大学 Erlangen-Nürnberg 的 Anna Nelles 说,RNO-G 可能捕获足够的中微子来揭示这些明显的能量差异,她估计 RNO-G 每年可能捕获多达三个宇宙中微子。但是,“如果我们不走运,”她说,检测可能会非常稀少,以至于仅仅获得一个评分就需要数万年的时间。

即使 RNO-G 被证明是一个等待游戏,它也是一个更大的无线电阵列的测试平台,分布超过 500 平方公里,计划作为 IceCube 升级的一部分。如果宇宙中微子在那里,第二代冰立方会找到它们并解决它们是什么的问题。“它可能会被中微子淹没,每小时 10 个,”内勒斯说。“但我们必须很幸运。”

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