这座巨大的望远镜将研究来自海底深处的中微子

观察微小事物以理解宏大事物的一项宏伟工程

如果此时此刻,宇宙深处有数万亿的微小粒子如雨般落下并穿过你的身体,你会担心吗?如果担心,那也没办法。因为你开始阅读这句话的时候,这一切就已经发生了。但别害怕:其中一些小小的家伙携带着关于宇宙最奇特秘密的信息。

这些粒子是中微子,它们可能是仅次于光子的宇宙中第二常见的粒子。地球正不断受到它们的轰击,而理解最高能量的中微子来自何方,可以让我们对宇宙中最奇特的事情,比如超新星爆发或我们星系中心的黑洞,有一个全新的认识。

然而,中微子非常难以探测,因此要观测它们需要我们在洞穴或水下建造庞大的实验装置。今天,由240名研究人员组成的立方千米中微子望远镜合作组织(KM3NeT)公布了他们将在地中海深处建造有史以来最大规模此类实验的最新计划。

“中微子是理想的宇宙信使,因为它们相互作用非常弱。这意味着它们不容易被阻止,”KM3NeT发言人Maarten de Jong告诉《Popular Science》。“我们现在可以通过不同的方式来观察宇宙。”

你可能听说过中微子,是在2011年一次实验中,该实验错误地测量到它们比光速更快地传播。它们与电子属于同一类粒子,但与电子不同的是,它们完全不与电磁力相互作用。在粒子物理学中,力只是粒子之间用四种语言之一发送的具有一套规则的消息。中微子主要读取用弱核力语言发送的消息,而忽略它们读不懂的电磁力消息。

Supernova
美国国家航空航天局 (NASA)

中微子携带大量重要信息。KM3NeT正在专门寻找宇宙射线中的最高能量中微子,宇宙射线是撞击地球的超快粒子。我们还不知道它们来自何方,但我们有强烈的怀疑是来自一些奇特的天体,比如超新星爆发或我们星系中心的黑洞。你看,宇宙射线在穿越宇宙时会分裂。一些粒子,比如质子,在穿越太空中的磁场时会弯曲。如果我们朝着这些质子来的方向看,我们就看不到它们的源头。中微子不与磁场相互作用,所以如果我们知道中微子来自何方,我们就知道宇宙射线真正来自何方。有其他中微子探测器,如南极的IceCube和俄罗斯的Gigaton Volume Detector,但KM3NeT将是最大的,并且会观测其他两个探测器未监控过的天空区域。

该实验由几组位于地中海海底的立方千米级别的玻璃球网络组成,每个玻璃球内都装有探测器,每个球都通过电缆连接到其他球组成的串联网络中。每个立方体将位于地中海海底的三个地点之一:第一组将位于法国和意大利海岸附近,之后将再建造一组位于希腊海岸附近。它们必须这么大才能看到中微子经过的路径,并且深埋在漆黑的海洋中,以避免杂散光欺骗探测器。它们也朝向地球下方,以便主要聚焦于能够穿透整个地球的最高能量中微子,即来自宇宙射线的中微子。此外,中微子穿过地球的方式可能能够告诉我们一些更重要的信息,比如它们的质量。

Big cube
KM3NeT联盟

中微子质量很小,所以如果它们通过引力发送信息,那么信息太微弱,我们的探测器无法读取。弱力信息在极短的时间内就会消失,所以我们的实验也无法读取。KM3NeT实验转而等待中微子将它们的弱力信息发送给探测器内部的一个原子。中微子的信息会促使原子释放出一个高能粒子,该粒子可以发送电磁信号。当粒子在水中穿过时,玻璃球会将其视为一闪而过的微弱蓝色光点。通过重建每个玻璃球中的光点,实验可以重构中微子的来源及其路径。

“如果我们观察到天空中存在一个中微子[源],那将意味着一个全新的研究领域,”De Jong说道。“对我来说,那将是天堂。”

该团队正在借鉴位于地中海的另一台中微子望远镜ANTARES的较小规模探测器所学到的知识。KM3NeT团队迄今已花费3100万欧元;完成整个望远镜还需要另外9500万欧元。根据《Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics》上发表的最新论文,完整的望远镜可能在2020年完成。

其他物理学家对该实验寄予厚望。“他们处于一个绝佳的位置,”《Journal of Physics G》的编辑、理论物理学家Barry Holstein说道。“我认为这是一个很棒的主意,我很期待看到他们能够取得的成果。”

 

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