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NASA批准在南极洲进行PUEO实验 以寻找宇宙中能量极高的“幽灵”粒子

2021-12-17 17:25     来源:cnBeta     中微子
芝加哥大学物理学家Abby Vieregg正在领导一项国际实验,该实验主要是利用南极洲的冰盖作为一个巨大的探测器来寻找来自外太空的极高能量粒子。最近,美国宇航局(NASA)批准了这个价值2000万美元的项目,它将建造一个仪器,在南极上空乘坐气球飞行,于2024年12月发射。


“我们正在寻找宇宙中能量最高的中微子,”芝加哥大学物理系副教授Vieregg说。“它们是在宇宙中能量最强、最极端的地方产生的,这些中微子提供了对这些地方的独特窥视。找到其中的一个或几个可以让我们了解关于宇宙的全新事物。”

这个由12个机构组成的国际合作项目将建立一个附属于高空气球的无线电探测器,该气球将由NASA发射,在南极洲12万英尺上空飞行,搜索来自中微子的信号。这个开创性的项目被称为PUEO,即超高能量观测的有效载荷的简称。(它的名字与夏威夷唯一现存的猫头鹰同名,PUEO的前身实验就诞生于此)。


观察宇宙的一种美丽方式

中微子通常被称为“幽灵 ”粒子,因为它们很少与物质发生作用。每秒钟都有数万个中微子无害地穿过你的身体。由于它们可以传播巨大的距离而不被扭曲或偏离,中微子可以作为关于宇宙中其他地方发生的事情的独特线索--包括它们产生的宇宙碰撞、星系和黑洞。

Vieregg说:“中微子是观察宇宙的一种美丽方式,因为它们不受阻碍地穿越空间。它们可以来自非常遥远的地方,而且它们在途中不会被扰乱,所以它们会指向它们的来源地。”

科学家们已经检测到一些来自外太空的此类中微子进入地球大气层。但他们认为,外面还有更多的中微子,它们具有极高的能量--甚至比欧洲大型强子对撞机正在加速的粒子还要高几个数量级--而且还从未被探测到。这些中微子可以告诉我们关于宇宙中最极端的事件。

这些中微子很少与其他形式的物质发生相互作用,因此Vieregg必须建造一个巨大的探测器来捕捉它们。或者她可以使用一个已经存在的探测器:南极洲顶部的冰盖。

Vieregg说:“冰盖是完美的--一个均匀的、密集的、辐射透明的块状物,横跨数百万平方公里。这几乎就像我们设计的一样。”

如果这些高能中微子中的一个穿过地球,有可能会撞上南极洲冰层内的一个原子。这种碰撞会产生穿过冰层的无线电波。这种无线电信号就是PUEO在漂浮在南极洲上空时要探测到的东西。

要做到这一点,它需要一些非常非常特殊的设备。


PUEO是一项名为ANITA的任务的下一代,该任务基于夏威夷大学,在2006年至2016年期间四次利用NASA的气球飞越南极,寻找类似的中微子。然而,PUEO将有一个更强大的探测器。

新的探测器利用了一种古老的天文学技巧的力量--一种叫做干涉测量的技术,它结合了来自多个望远镜的信号。PUEO到处都是无线电天线,一个中央数据采集系统将合并和分析这些信号,以形成一个更强大的信号。

一个更强的信号将是一个重大的飞跃,因为它将帮助科学家从来自四面八方的噪音中挑选出重要的信号。“每分钟都有数千兆字节的数据进入探测器,我们期望在数十亿个事件中最多有几个是中微子,”芝加哥大学研究科学家Cosmin Deaconu说,他正在研究PUEO的软件。“你不可能把所有的数据都写入磁盘,所以我们必须设计一个程序来快速决定哪些信号要保留,哪些要抛弃。”

许多常见的信号看起来像中微子,但其实不是。这些信号的范围包括从卫星传输到某人使用的打火机。Deaconu说:“至少在南极洲,只有几个地方会有人类产生这些信号,所以排除这些信号比较容易。但是我们甚至需要考虑到静电等因素。”

Vieregg和团队在两个实验中测试了地面干涉相控阵的想法:一个是2018年在南极的ARA,另一个是2021年夏天在格陵兰的RNO-G。两项实验都显示出比以前的设计在性能上有很大的飞跃--这使得PUEO的空中探测器更有希望。Vieregg说:“PUEO的灵敏度将比ANITA以前的所有飞行加起来要好10倍。”

在接下来的几个月里,该团队将为PUEO建立原型并最终确定设计。一旦布局完成,全美各地机构的小型团队将建造仪器的一部分,然后在芝加哥大学进行组装和测试。“例如,我们想确保它能够处理近空间的真空,”芝加哥大学研究科学家Eric Oberla说,他正在建造PUEO的硬件。“当没有空气将其带走时,散热就更难了,这对电子产品来说是个问题,所以我们将在校园内的真空室进行测试,随后在仪器集成活动期间在美国宇航局的一个大型真空室进行测试。”

从那里,PUEO将被运到位于德克萨斯州巴勒斯坦的NASA设施进行最后测试,然后被送往南极洲的发射站。

根据天气条件,该探测器可能会飞行一个月或更长时间,收集数据并将其传送回地面,科学家们将在那里梳理这些数据,寻找有史以来第一次高能中微子探测的证据。

“我们很高兴PUEO平流层气球任务被列入Pioneers任务的初始组,并期待着它将返回的伟大科学,”NASA的天体物理学Pioneers计划负责人Michael Garcia说,该计划为该实验提供资金。

Pioneers计划允许科学家们“有远大的梦想”,Vieregg说。“我们可以说,‘如果我们可以制造任何我们想要的东西,我们可以制造什么?’”

“这是一个发现实验,意味着没有什么是可以保证的,”她补充说:“但所有的迹象都表明,那里有一些东西可以让我们捡到--即使是一些中微子也会是一个令人惊奇的科学发现。”

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