據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，物理學(xué)家已經(jīng)獲得了許多有關(guān)中微子的新發(fā)現(xiàn)。在南極的冰層下有一座巨大的中微子探測(cè)站，通過(guò)搜尋從北極穿過(guò)地球的中微子，該站所探測(cè)到的“宇宙中微子”數(shù)量已經(jīng)增加了一倍。近日，這個(gè)研究站宣布探測(cè)到了目前最高能的中微子。

　　與此同時(shí)，在意大利的一個(gè)探測(cè)器第一次證實(shí)，在地球的地殼之下也會(huì)產(chǎn)生中微子。這些“地球中微子”所攜帶的能量比宇宙中微子少很多，但它們能幫助科學(xué)家了解地?zé)嵝纬傻姆派溥^(guò)程。相比之下，來(lái)自太空的中微子可以提供有關(guān)銀河系之外各種神秘輻射源的線索。

　　中微子是一種沒(méi)有電荷，且?guī)缀鯖](méi)有質(zhì)量的亞原子粒子，幾乎不與其他任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。這意味著它們能以直線穿過(guò)宇宙，毫無(wú)干擾地穿過(guò)整顆行星，并且很難被探測(cè)到。在南極的冰層下，IceCube中微子觀測(cè)站的數(shù)千個(gè)探測(cè)器分布在1立方公里的范圍內(nèi)，這些探測(cè)器裝有光學(xué)傳感器，用于捕捉中微子偶爾擊中原子時(shí)產(chǎn)生的閃光。

　　北極到南極

　　2013年，IceCube觀測(cè)站宣稱第一次探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)系以外的中微子，其中有28個(gè)中微子在被捕獲時(shí)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類最好的粒子加速器所能產(chǎn)生的最高能粒子。從那時(shí)到現(xiàn)在，這種高能的“宇宙中微子”數(shù)量已經(jīng)上升到了50個(gè)以上。

　　在本周于荷蘭舉行的一次會(huì)議上，IceCube觀測(cè)站宣布了一個(gè)破紀(jì)錄的事件，由該站的探測(cè)器在2014年6月發(fā)現(xiàn)。他們探測(cè)到了一個(gè)攜帶著至少2600TeV能量的中微子——比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里的光子還高數(shù)百倍。此前IceCube觀測(cè)站的記錄是2000TeV。

　　這也是目前探測(cè)到的能量最高的中微子，也是速度最快的：所有的中微子都以非常接近光速的速度穿行，一點(diǎn)點(diǎn)速度的增加都需要極大的能量。此外，這一能量值只是一個(gè)最低值。中微子本身并不能被探測(cè)到，IceCube發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)不同的粒子，稱為μ子(muon)——繆中微子(μ中微子)的產(chǎn)物，而且它是從北極方向來(lái)的。

Borexino觀測(cè)站的不銹鋼球體裝滿了光學(xué)傳感器

Borexino觀測(cè)站的探測(cè)器中裝滿了一種特殊的碳?xì)浠衔镆后w

　　IceCube觀測(cè)站首席研究員、威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的弗朗西斯·哈爾岑(Francis Halzen)說(shuō)：“它是由一個(gè)穿過(guò)地球，從我們的探測(cè)器下方出現(xiàn)的中微子所產(chǎn)生的。”通過(guò)一種被哈爾岑稱為“信封背面”(back of an envelope)的物理計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)重建了中微子的相互作用，即μ子轟擊冰層，釋放2600TeV的過(guò)程。

　　“利用標(biāo)準(zhǔn)物理模型，這個(gè)中微子的能量大約在5000到10000TeV之間，最可能的值是在這一范圍的中間，”哈爾岑解釋道，“這個(gè)中微子的能量相當(dāng)于1000倍大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)光束的能量。這太驚人了?！?/p>

　　事實(shí)上， IceCube觀測(cè)站的物理學(xué)家正是用這類證據(jù)來(lái)確定探測(cè)到的宇宙中微子數(shù)量增加了一倍。他們已經(jīng)在對(duì)兩年來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析，此前在這些數(shù)據(jù)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)50種銀河系的粒子，均為直接來(lái)自南方天空的電子和陶中微子。

　　在即將發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)的一篇文章中，研究團(tuán)隊(duì)將注意力投向了北極，揭示了有同樣數(shù)量的謬中微子從北半球飛入了地球內(nèi)部。最終，每個(gè)中微子都撞到了一些物體，在冰層中釋放了μ子，就像2014年6月破紀(jì)錄的那個(gè)一樣。

　　哈爾岑說(shuō)：“這種新的方法使我們獲得了同等數(shù)量的繆中微子，我們的統(tǒng)計(jì)因此也達(dá)到了100以上?！敝匾氖?，μ子相對(duì)較重，因此當(dāng)冰層中的傳感器發(fā)覺(jué)它們的經(jīng)過(guò)，其軌跡也能夠再進(jìn)行重建。這使得IceCube成為一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，能向北穿過(guò)地球，觀察中微子所來(lái)自的宇宙角落。

　　來(lái)自內(nèi)部的轟擊

　　中微子還可以由少得多的能量產(chǎn)生，而且與我們的距離也可以更近。Borexino觀測(cè)站埋在意大利格瑞·薩蘇的地下，200噸特制油填滿了一個(gè)巨大的、球形的桶，里面裝有光學(xué)傳感器。Borexino觀測(cè)站的建造目的是為了捕獲由太陽(yáng)中心核反應(yīng)產(chǎn)生的低能中微子。觀測(cè)站以往的工作是成功的，但現(xiàn)在國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用其7年的數(shù)據(jù)，對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)。

　　我們的地球內(nèi)部能產(chǎn)生大量的熱——大約為世界所有電廠總量的20倍。這些熱大部分是輻射熱，但科學(xué)家并不清楚到底有多少熱量。Borexino觀測(cè)站的成員阿爾多·易安尼(Aldo Ianni)解釋道：“唯一能了解有多少熱量來(lái)自輻射的方法是測(cè)量來(lái)自地球內(nèi)部的中微子?！?/p>

　　Borexino觀測(cè)站和日本的超級(jí)神岡中微子探測(cè)器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些“地球中微子”的蹤跡，伴隨著的是無(wú)數(shù)由地球表面核電站產(chǎn)生的游離中微子。

　　不過(guò)，在一篇準(zhǔn)備發(fā)表在《物理評(píng)論D》(Physical Review D)的論文中，Borexino觀測(cè)站的研究團(tuán)隊(duì)列出了一些重要的證據(jù)，顯示從地殼以下的地幔層也會(huì)產(chǎn)生中微子。這組數(shù)據(jù)包含了77個(gè)候選的中微子，計(jì)算結(jié)果顯示有24個(gè)來(lái)自地球內(nèi)部，而不是來(lái)自核電站的反應(yīng)堆。在這24個(gè)中微子中，研究者能幾乎肯定——還未完全肯定——有一些來(lái)自地幔。之所以還沒(méi)有完全肯定，是因?yàn)樵谟?jì)算的每個(gè)步驟中都存在著一些不確定性。

　　阿爾多稱：“它在98%的置信水平，意味著還有極小的可能是，這些中微子不是來(lái)自地幔?！卑茨壳傲Ｗ游锢韺W(xué)的規(guī)則，這么小的可能性相對(duì)于正式的“發(fā)現(xiàn)”來(lái)說(shuō)還是太大了?！斑@種可能性很小，但從物理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，它應(yīng)該要更小得多?！?/p>

　　珍妮·威爾森(Jeanne Wilson)是英國(guó)瑪麗皇后大學(xué)的粒子物理學(xué)家，在日本的超級(jí)神岡中微子觀測(cè)站工作。她認(rèn)為Borexino觀測(cè)站的結(jié)果雖然還很初步，但非常重要。

　　“從以往的結(jié)果看，我們會(huì)很有自信地說(shuō)觀測(cè)到了‘地球中微子’，但隨著觀測(cè)結(jié)果越多，你對(duì)它們從何而來(lái)的信息就知道得越多，”她說(shuō)，“我們現(xiàn)在正接近一個(gè)臨界點(diǎn)，可以開(kāi)始做這方面的分析。我不認(rèn)為這些模型中有什么東西會(huì)推翻目前已有的關(guān)于地球的模型，但它們確實(shí)表明，我們正在接近一個(gè)中微子能提供切實(shí)幫助的點(diǎn)?！?/p>