首次！科学家测量了地球吸收高能中微子的能力

▲一个可视化中微子探测信号与南极冰立方实验室的景观。图片来源: IceCube Collaboration

11月22日刊登在《自然》杂志上的一项研究声明，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家们首次利用冰立方（IceCube）探测器测量了地球吸收中微子的能力。中微子是一种比原子更小的粒子，它能以接近光速的速度穿越太空，穿过我们。冰立方探测器位于南极附近，封冻在一立方千米极清澈的冰块中，内含由5160个篮球大小的传感器组成的阵列。

宾夕法尼亚州立大学的物理学、天文学和天体物理学教授Doug Cowen说道：“这一成就很重要，因为它首次表明高能量的中微子可以被某些东西吸收——目前来看，就是地球。早在2013年，冰立方（IceCube）探测器就对极端高能中微子进行了首次探测，但仍然存在一个谜团，即是否存在某种物质能真正停止中微子穿越太空的旅程。“我们知道，低能中微子能够穿越任何东西。尽管我们曾预期高能量的中微子和低能中微子不同，但之前没有任何令人信服的实验结果能够证明高能量的中微子可以被任何物质阻止。”

在《自然》杂志上的发表的结果是基于在一年内统计的大约10800个中微子相关的相互反应数据。此次在冰立方（IceCube）所得到的新发现是我们深入理解宇宙如何运作的一个令人兴奋的补充，但对于那些希望利用实验揭示出一些无法用当前粒子物理学标准模型（Standard Model of Particle Physics.）解释的东西的人来说，这也许有点让人失望。“此次冰立方研究的结果与粒子物理学的标准模型完全一致。” Cowen说道。

冰立方的传感器并不是直接观察中微子，而是测量了一种被称为切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）的蓝色可见光，这种蓝色可见光是中微子与冰反应时所产生的一系列快速移动的带电粒子相互作用所发出来的。通过在探测矩阵内部和附近测量这些反应所产生的光带，冰立方可以估计中微子的能量和穿越方向。科学家们发现，那些不得不以最远距离穿越地球的中微子到达探测器的可能性较小。

这项研究中选择的大多数中微子的能量比那些我们熟悉的，由太阳或核电站所产生的中微子的能量要大一百万倍以上。研究还分析了一小部分的天体物理学中微子，这些中微子在地球大气层外产生，来自于目前为止尚未确认的宇宙加速器，也许与超大质量黑洞相关。

除了首次测量了地球对中微子的吸收之外，分析还表明，冰立方的科学范围超出了原本的核心研究重点，即粒子物理学发现和中微子天文学的新兴领域，进入了行星科学和核物理的研究领域。这一分析也引起了地球物理学家的兴趣，他们希望利用中微子来拍摄地球内部，以探索地球内部固体核心与液体外核之间的界限。

“冰立方是为了探索物理学的前沿而建造的，这样做可能对现有的有关宇宙本质的认知具有挑战性意义。”国家科学基金会物理部门的项目主任James Whitmore说道。现在，物理学家们希望通过一个延伸的、来自86条电缆的多年的数据分析来重复这项研究，以在更大范围中微子能源中找到任何有关标准模型之外物理学现象的暗示。

参考消息：M. G. Aartsen et al. Measurement of the multi-TeV neutrinointeraction cross-section with IceCube using Earth absorption. Nature, 2017;DOI: 10.1038/nature24459

科界原创

编译：Jamie Cheng  编辑：张梦  程建兰

来源：www.sciencedaily.com