冰立方——深藏南极冰下的中微子探测器

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2010年12月18日，历时10年、耗资2.71亿美元的“冰立方”中微子探测器，在寒冷而神秘的南极宣告建成。这一科学探索项目，将利用南极极为纯净的古老坚冰层作为“望远镜”，搜寻来自茫茫宇宙空间的高能基本粒子——中微子……

2010年12月18日，历时10年、耗资2.71亿美元的“冰立方”中微子探测器，在寒冷而神秘的南极宣告建成。这一科学探索项目，将利用南极极为纯净的古老坚冰层作为“望远镜”，搜寻来自茫茫宇宙空间的高能基本粒子——中微子。项目由美国威斯康星大学麦迪逊分校领导，比利时、德国、荷兰、日本、英国、新西兰和瑞典等国家的40多个学术机构参与，是目前世界上最大的中微子探测器。

“冰立方”中微子探测器位于南极大陆冰床上，毗邻美国阿蒙森-斯科特南极站。这里海拔约2835米，冰床厚度约2850米。有记录的气温在-13.6℃至-82.8℃之间，年平均气温-49℃。之所以要在南极这个极度寒冷的冰雪世界建造探测器，是因为这里的冰雪异常纯净，冰块里没有气泡或气穴，不会产生自然辐射，不会造成检测数据的失真。还有就是，把探测器埋到冰川深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子以外的其他辐射。总体上说，一架中微子探测器必须具有足够大的尺度，以便探测来自宇宙的微弱中微子流；要足够透明，以便光线可以在光学探测器阵之间传播；要足够深，以便屏蔽来自地球表面的干扰。同时，还要在经费上可以承受。纯净、高透明并且不具有放射性的南极大陆冰床，自然成为了探测中微子的理想介质。同时，美国自然科学基金会下属的阿蒙森-斯科特南极站所提供的在基础设施上的便利，也为建造“冰立方”和开展中微子探测扫除了障碍。

神秘难测的“中微子”

科学界对中微子了解极晚。20世纪初，当物理学家把一次放射性衰变前后的能量和动量加起来的时候，他们发现两者无法平衡。1931年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利，通过大量的理论推理与计算作出了天才的预言：一种尚未被探测到的粒子带走了这部分不见了的能量和动量。科学家们给这种假想中的粒子起了个名字叫“中微子”，意思是“中性的小不点儿”。然而由于中微子和物质的相互作用极其微弱，因此探测它几乎成了不可能完成的任务。事实上，直到1956年科学家使用核反应堆发射出的中微子“洪流”才探测到了这些粒子。物理学家弗雷德里克·莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

中微子是组成自然界最基本的粒子之一。当宇宙射线中的高能粒子轰击其他物质原子时，将产生辐射和中微子。中微子不带电，几乎没有质量，推算其质量轻到小于电子质量的百万分之一，并能以接近光速的运动速度自由地穿过墙壁、山脉乃至地球与其他行星。物理学家估计，中微子能够穿透厚度比地球到太阳的距离还高出几十亿倍的铁板。如果有数光年厚的一个铅板做成的壁垒的话，中微子也能从容地穿过而不“惊扰”其中的任何一个原子。

中微子的难以捉摸，既是一个好消息，也是一个坏消息。一方面，中微子不与物质发生相互作用，意味着它们可以轻易地逃离产生它们的地方并且把信息传递给我们。例如，太阳中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。探测它们使得我们可以直视太阳的心脏。这是有利的一面。不利的一面是，由此对中微子的探测也会变得极为困难。

从20世纪60年代开始，美国宾夕法尼亚大学的雷·戴维斯首次进行了对中微子的探测尝试。戴维斯把他的实验放到了位于美国南达科他州霍姆斯特克金矿地下1.6千米深的地方。在那里有厚厚的岩层保护着实验装置。他的目标是要寻找太阳中心核聚变反应所产生的中微子。戴维斯的实验结果出乎所有人的预料。他确实探测到了太阳的中微子。戴维斯也因此获得了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。所有的设备都是深藏于北美、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。围绕水箱放置的一系列探测器会探测这些辐射。如日本超级神冈探测器装置设在神冈町地下一公里深处被废弃的锌矿坑中，那里建造了一个巨大水池，装有5万吨水，周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，与水中氢原子核发生撞击的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机，供科学家们分析。

中微子现在是科学界的当红明星，为了研究它而建的实验室有很多。目前，在中微子研究领域，日本和美国处于领先地位。尤其美国，对中微子研究非常重视。

揭开“冰立方”的面纱

位于南极的“冰立方”中微子探测器，是有史以来建造的最壮观的中微子探测器。在这个探测器中，冰取代了以往探测系统中的超纯水作为探测标靶和监测中微子相互作用产物的媒质。“冰立方”在体积为1立方千米的六角形的广阔冰层上，以125米的间隔，钻探86个深度达2500米的冰洞。研究者将一串间隔17米设置的60个光学探测器用电缆连接起来，并把串联有60个光学探测器的电缆下放到每一个冰洞中，光学探测器处于冰洞1450~2450米深处的位置。86个冰洞共放置5160个光学探测器。

光学探测器是“冰立方”的基本探测装置，是一只篮球大小的玻璃压力容器。其内部的主要元件是光电倍增管。通过光电效应，光电倍增管可以把由中微子相互作用产生的切伦科夫光信号转换成电信号。这些电信号会被计算机芯片捕捉到并且数字化，进而传输到冰面上的计算机中。我们可以把光学探测器想象成5160台独立工作的计算机，它们时刻向表面传导着它们探测到的光信号。其光学探测器里的时钟彼此误差始终控制在纳秒以内。这些信息使得科学家们可以重建中微子事件，并且可以推算出它们到达的方向和能量。

为了安装光学探测器，首先要用增强型高压热水钻探机在南极冰层中钻冰洞。当光学探测器被放入冰洞之后，接着往这个洞里注满水并让它重新冻结。当冰洞重新冻结之后，冰洞内的光学探测器被包裹起来，永远埋藏在-20℃至-30℃之间的冰洞中。玻璃罩则负责保护光学探测器免遭冰下的巨大压力破坏。在未来25年里，这些被埋入冰层中的光学探测器，将检测并传输有关粒子碰撞的实验数据。

中微子物理学是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律，但是仍有许多谜团尚未被解开。揭开关于中微子的各个谜团，既是深入认识微观世界的需要，也是深入认识宏观世界的需要。一旦“冰立方”完全正式投入运行，它可能在未来10年内记录下百万次以上的宇宙深处高能中微子事件。这将为科学家们提供一个巨大的数据库，用来分析研究一些剧烈的天体事件，这对于探索宇宙和天体的起源、演化均有着极不寻常的意义。

对中微子的研究，不仅具有重要的理论意义，而且在日常生活中也有现实意义。其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球表面是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息。应用之二是中微子地球断层扫描，即给地球做CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加，用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层，与地层物质作用可以产生局部小“地震”，类似于地震法勘探，可对深层地层进行勘探，对地层进行一层一层地扫描。“冰立方”的首席科学家弗朗西斯·豪森指出，“冰立方”的建成，有可能为中微子研究带来全新的发现。

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