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群星的信使

作者:未知

  星云远歌信使更迭      通过仰望苍穹,我们认识了宇宙,但我们的认识取决于所观测到的信号,以及它们自身所携带的信息。从远古至今,光就是这样一位孜孜不倦的信使。通过肉眼和望远镜,我们一直在探测可见光下的宇宙,但是这只是通向宇宙的一扇小窗户。
  到了20世纪,人类在地球上建造了射电望远镜,并且发射卫星把探测器送出大气层,宇宙展现出了它澳门永利网上赌场姿多彩的一面。红外观测数据向我们展示了贯穿银河系的低温气体,高能γ射线则书写下了遥远星系中的剧烈爆发。这些辐射携带着它们发出地的信息,但我们的大气层会吸收除了可见光和射电波之外的绝大部分辐射。所以,所有地面和空间天文台探测到的都只是电磁波谱中的某一段。现在天文学家正试图打开一扇不依赖于电磁波的新窗户,而充当信使的是一种难以捉摸的粒子――中微子。
  
  双面来客捉摸不定
  
  中微子是由放射性衰变和核聚变过程所产生的诸多粒子中的一种。它不带电荷,几乎没有质量,与物质的相互作用也极其微弱。一个中微子可以穿过数光年厚的铅壁而不“惊扰”其中的任何一个原子。
  那么这和我们想要探索的群星又有什么关系呢?其实,宇宙中许多重要事件――从恒星的核聚变反应到超新星爆炸――都会释放出中微子这一“副产品”。而且,宇宙中充满着中微子。它们是自然界中群星活动的产物,携带着与核反应等剧烈现象有关的信息。
  中微子是一位难以捉摸的信使。一方面,中微子难以与物质发生相互作用,这意味着它们可以轻易地逃离出生地,并且把那里的信息传递给我们。例如,太阳核心核聚变所产生的中微子,可以毫发无损地穿越太阳的外部包层以及地球大气,通过探测它们,让我们可以直视太阳的心脏。同时,中微子还可以自由穿行于星系之间,不受充斥在宇宙中的微波背景辐射的影响。这些特性使中微子成为携带宇宙中最剧烈现象信息的理想载体。如黑洞的合并,会产生宇宙中最猛烈的爆发――γ射线暴;还有活动星系核,那些核心区活动剧烈的河外星系,会发射出极强的电磁辐射。
  然而另一方面,正是因为它的“惰性”,我们对中微子的探测便极为困难。也许你没有意识到,此时此刻,有几十亿个中微子正在穿过你的身体。它们绝大部分来自太阳,一些来自遥远的星系,还有的甚至可能来自宇宙最初的大爆炸。在你的一生中,无数的中微子与你擦肩而过,但只有极少数的几个会和你身体中的原子发生相互作用。
  那么,我们如何探测呢?显然,我们需要捕获中微子与原子相互作用的信息,并且把它们和其他的效应区分开。
  由于中微子和原子间很难发生相互作用,我们只能设法在一个大探测器中放入巨量原子,使穿过其中的中微子与之相互作用的概率变大。使用这种方法时,我们“探测”到的信息,是原子相互之间的反冲运动,或由中微子引发的一次原子核反应。那么,是否还有其他物质也能造成同样的结果?例如,被称为“宇宙射线”的高能粒子也在不断轰击地球表面。搞清楚哪些效应是由宇宙射线引起的,并且把它们与中微子造成的反应区分开,可不是容易的事,科学家们称之为“背景”问题。
  
  沧海一粟素手取之
  
  自20世纪60年代开始,美国宾夕法尼亚大学的戴维斯为解决这些问题进行了首次尝试。他为中微子设定的标靶是一大罐四氯乙烯――一种化学干洗剂。戴维斯开玩笑说,如果他的实验失败了,他还可以加入清洁工的行列。为了解决“背景”问题,戴维斯把他的实验装置放到了一个金矿里,置于地下1.6千米深的地方,在那里有厚厚的岩层做“保护”。他的目标是要寻找太阳核心核聚变反应所产生的中微子。在这个充满液体的大罐子里,每一天,太阳的中微子会把一个氯原子转变成一个氩原子。为此他不得不在这片清洁剂的海洋中寻找这些孤独的氩原子。戴维斯确实探测到了太阳的中微子,但结果仅仅是预期数量的三分之一。是他的实验出了问题吗?还是物理学家的计算出了差错?
  后来,科学家发现这是因为有三种中微子,不同的种类之间可以转化。这一发现已经成为现代物理学的理论基石,戴维斯也因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。继戴维斯的成功之后,物理学家们又建造了第二代中微子探测器――深藏于北美、欧洲和日本地下的大质量标靶探测器。许多人采用了一种新的探测策略,即用超纯水作为标靶。当中微子从水中穿过的时候,通过核反应会产生出一个带电粒子。在水中这个粒子会发出锥形的蓝色光脉冲,即切伦科夫辐射。围绕水箱放置的一系列探测器会探测这些辐射。这些实验的策略很简单――大量的水既能作为和中微子相互作用的标靶,也能用作探测这一相互作用产物的媒介。有了这些仪器,宇宙的信使――中微子将被我们捕获。
  
  千米冰封溯洄求之
  
  不过,当要搜寻和极端剧烈的宇宙现象相关的中微子时,超纯水探测器虽然巨大,对要完成这个任务而言还是太小。这些由高能现象发出的中微子实在过于稀少,如果使用几十立方米的水箱,那么也许得等上几十年,才会有一个这样的中微子和水箱中的一个原子发生相互作用。因此,我们需要的是一个能覆盖上千米面积的超大探测器。位于南极的“冰立方”中微子天文台就是这样一个庞然大物,它包含了1立方千米的冰,可能是有史以来最壮观的天文仪器。在这个探测器中,冰取代了超纯水作为探测标靶和监测中微子相互作用产物的媒介。
  那么,为什么要选在南极?事实上,科学家可没法凭空造出如此巨大的一个探测器,只能转向大自然求助。南极地区的冰层厚度可以达到2800米,而且现在有定期飞往南极的航线,交通运输也已经不再是问题。“冰立方”的建造过程说起来其实很简单,工程人员使用高压热水在冰层上钻出一系列2450米深的洞,每一个大约要耗时40个小时。随后,一条连着60个探测器的电缆被放入洞中,之后其周围的水会再次封冻。当中微子触发了与冰中的一个原子的相互作用时,所产生的粒子就会发出闪光,而这一闪光就会被探测器记录下来。根据这些数据,位于冰面的计算机就可以重建出每个中微子的特性。例如,它们可以确定出中微子的能量和入射的方向。
  在第一批探测器被放置到冰层下之后,科学家们发现探测器的工作不正常,这着实引发了不大不小的惊慌。后来他们发现,原来是冰层中的微小气泡在信号到达探测器前就把这些光散射了。幸运的是,在深度超过1400米的地方,冰层的压力非常高,任何气泡都会被压破,在那里可以观测到清晰的信号。因此,“冰立方”始于冰面下方1450米,然后向下延伸1000米。到2008~2009年,南极的夏季结束时,工程人员已经安装了59根探测电缆。计划总共安装80根探测电缆,预计会在2012年1月完成。不过即使只有部分仪器被安装到位,科学家们也已经开始采集数据了。“冰立方”中探测到的绝大部分中微子都是由地球大气所产生的。还有入射的宇宙射线、其他的粒子碰撞引发的核反应,这些都远多于入射中微子所引发的相互作用(比例超过500000∶1)。这真是一个严重的“背景”问题。因此,“冰立方”的科学家在寻找由下往上朝向冰面运动的中微子。这些中微子是穿过了整个地球才到达“冰立方”的,地球会“自然”地屏蔽其他粒子,去掉会干扰探测的背景噪音。
  让人惊叹之处就在这里――位于南极的“冰立方”可以探测到发生在北极的大气粒子反应,它是由超高能宇宙射线轰击北极上空的大气造成的,由此引发的核反应会产生数百万个向下运动的粒子。其中一些中微子就会穿越地球被另一端的“冰立方”探测到。一旦“冰立方”全面建成和运行,科学家预期,在大约10年的时间里,可以通过它观测到超过100万个高能中微子事件。这将为我们提供一个宇宙中剧烈现象的庞大信息库。
  过去,每当我们打开新的宇宙窗口时,总会获得大自然的惊喜馈赠。如果又一位新的信使被捕获,也许会带来我们意想不到的重要礼物,甚至会引发新的物理学革命吧。


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