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  • 宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    他们无处不在,但是你永远都看不到它们。此时此刻,它们正数以万亿地从你身体中飞过,但是你却感觉不到它们的存在,这些幽灵粒子叫做中微子。如果我们能抓到中微子,它们能够告诉我们宇宙中最遥远的边缘,最极端的环境。

    宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    图源:google

    中微子是基本粒子之一,也就是说,它们不能像原子那样被分成更小的粒子。基本粒子是已知的最小的粒子,是构造宇宙中一切的基本元素。而中微子又在最微小之列,比电子还要小一百万倍。中微子能够不受磁场影响,轻易穿透物体。实际上,它们几乎不与任何物质相互作用,这意味着数百万年乃至数十亿年来,它们能够沿直线穿越宇宙,携带着它们的来源地的信息。

    宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    图源:google

    那么中微子到底从哪里来呢?答案是任何地方。人类体内的钾放射性衰变会产生中微子;地球大气层中,宇宙射线撞击原子能够创造出一大波中微子;太阳内部的核反应和地球内部的放射性衰变都能产生中微子。而且,我们也能够在核反应堆和粒子加速器中也能生成中微子。但是,能量最高的中微子来源于我们知之甚少的太空深处,那里或许有一个巨大的黑洞,或者有一个我们还未发现的“宇宙发电机”,它将宇宙射线加速成动能的速度比任何人造加速器快一百万倍。这些宇宙射线,大多是都是质子,与它们周围的物质和辐射产生剧烈反应,创造出带有高能量的中微子。它们像面包屑一样,在宇宙中大量传播。它们能够告诉我们宇宙中最强大的发动机的所在地和内部构造。

    宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    图源:google

    而这一切的前提是,我们必须先抓到它们。中微子与其他物质的有限接触让它们成为极好的信使,但是同时也很难检测到它们。一种办法是在它们的运动路线上放置大量的纯透明物质,然后等待中微子撞击原子核自现原形。这就是南极洲“冰立方”(Ice Cube)所做的事,冰立方是世界上最大的中微子望远镜。

    宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    图源:b. google

    它被设置在一立方千米的冰内,这些冰被几千年累积下来的冰雪的压强纯化了,因而变成地球上最纯净的固体之一。

    宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    图解:冰立方结构示意图

    尽管这块冰块被钻孔穿透,钻孔内置超过5000个侦测器,却仍然检测不到多数中微子飞过冰立方的痕迹。但是每年大约有十次,一个高能量的中微子会与一个冰分子发生撞击,产生带有火花的带电亚原子粒子,其穿越冰层的速度超过光速。这就好比一架超音速飞机会产生音爆,这些超光速带电粒子会留下蓝色光椎,有点类似光爆一样。

    这种光传遍冰立方,击中层面下一英里多深的部分探测器,光电倍增管将信号放大,信号中包含带电粒子的路径和能量信息。这些数据传输到世界各地,到达那些研究光的规律,以寻找产生这些光的中微子的天体物理学家手上。这种超级能量撞击特别罕见,冰立方科学家们甚至给每一个中微子起昵称,比如 “大鸟”,还有 “斯特兰奇珀客博士”。

    宇宙中粒子众多,中微子缘何重要?

    图解:冰面下的侦测器

    冰立方已经观测到已见的最高能量的宇宙中微子。侦测到的中微子终于可以告诉我们宇宙射线从哪里来,以及它们如何拥有如此高的能量。红外线、x射线、伽马射线等光线,给予我们的宇宙视角能量日趋强大,也让我们惊讶不已。我们现在已经能看到中微子宇宙学时代的曙光,我们还不知道未来,冰立方和其它的中微子望远镜能够给我们带来有关中微子(这一宇宙中最猛烈、能量最强现象)怎样的启示。

    参考资料

    1.WJ百科全书

    2.天文学名词

    3. Gabriella Hu- yuan longquan

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