據(jù)國外媒體報道，物理學家已經(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站，通過搜尋從北極穿過地球的中微子，該站所探測到的“宇宙中微子”數(shù)量已經(jīng)增加了一倍。近日，這個研究站宣布探測到了目前最高能的中微子。
與此同時，在意大利的一個探測器第一次證實，在地球的地殼之下也會產(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，但它們能幫助科學家了解地熱形成的放射過程。相比之下，來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。
中微子是一種沒有電荷，且?guī)缀鯖]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宇宙，毫無干擾地穿過整顆行星，并且很難被探測到。在南極的冰層下，IceCube中微子觀測站的數(shù)千個探測器分布在1立方公里的范圍內(nèi)，這些探測器裝有光學傳感器，用于捕捉中微子偶爾擊中原子時產(chǎn)生的閃光。
北極到南極
2013年，IceCube觀測站宣稱第一次探測到了來自太陽系以外的中微子，其中有28個中微子在被捕獲時的能量遠遠超過人類最好的粒子加速器所能產(chǎn)生的最高能粒子。從那時到現(xiàn)在，這種高能的“宇宙中微子”數(shù)量已經(jīng)上升到了50個以上。
在本周于荷蘭舉行的一次會議上，IceCube觀測站宣布了一個破紀錄的事件，由該站的探測器在2014年6月發(fā)現(xiàn)。他們探測到了一個攜帶著至少2600TeV能量的中微子——比大型強子對撞機里的光子還高數(shù)百倍。此前IceCube觀測站的記錄是2000TeV。
這也是目前探測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，一點點速度的增加都需要極大的能量。此外，這一能量值只是一個最低值。中微子本身并不能被探測到，IceCube發(fā)現(xiàn)的是一個不同的粒子，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的。
Borexino觀測站的不銹鋼球體裝滿了光學傳感器
Borexino觀測站的探測器中裝滿了一種特殊的碳氫化合物液體
IceCube觀測站首席研究員、威斯康辛大學麥迪遜分校的弗朗西斯·哈爾岑(Francis Halzen)說：“它是由一個穿過地球，從我們的探測器下方出現(xiàn)的中微子所產(chǎn)生的。”通過一種被哈爾岑稱為“信封背面”(back of an envelope)的物理計算，研究團隊重建了中微子的相互作用，即μ子轟擊冰層，釋放2600TeV的過程。
“利用標準物理模型，這個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，“這個中微子的能量相當于1000倍大型強子對撞機光束的能量。這太驚人了。”
事實上， IceCube觀測站的物理學家正是用這類證據(jù)來確定探測到的宇宙中微子數(shù)量增加了一倍。他們已經(jīng)在對兩年來的數(shù)據(jù)進行重新分析，此前在這些數(shù)據(jù)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過50種銀河系的粒子，均為直接來自南方天空的電子和陶中微子。
在即將發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)的一篇文章中，研究團隊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月破紀錄的那個一樣。
哈爾岑說：“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)計因此也達到了100以上。”重要的是，μ子相對較重，因此當冰層中的傳感器發(fā)覺它們的經(jīng)過，其軌跡也能夠再進行重建。這使得IceCube成為一臺望遠鏡，能向北穿過地球，觀察中微子所來自的宇宙角落。
來自內(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觀測站埋在意大利格瑞·薩蘇的地下，200噸特制油填滿了一個巨大的、球形的桶，里面裝有光學傳感器。Borexino觀測站的建造目的是為了捕獲由太陽中心核反應(yīng)產(chǎn)生的低能中微子。觀測站以往的工作是成功的，但現(xiàn)在國際研究團隊利用其7年的數(shù)據(jù)，對地球內(nèi)部進行探測。
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，但科學家并不清楚到底有多少熱量。Borexino觀測站的成員阿爾多·易安尼(Aldo Ianni)解釋道：“唯一能了解有多少熱量來自輻射的方法是測量來自地球內(nèi)部的中微子。”
Borexino觀測站和日本的超級神岡中微子探測器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些“地球中微子”的蹤跡，伴隨著的是無數(shù)由地球表面核電站產(chǎn)生的游離中微子。
不過，在一篇準備發(fā)表在《物理評論D》(Physical Review D)的論文中，Borexino觀測站的研究團隊列出了一些重要的證據(jù)，顯示從地殼以下的地幔層也會產(chǎn)生中微子。這組數(shù)據(jù)包含了77個候選的中微子，計算結(jié)果顯示有24個來自地球內(nèi)部，而不是來自核電站的反應(yīng)堆。在這24個中微子中，研究者能幾乎肯定——還未完全肯定——有一些來自地幔。之所以還沒有完全肯定，是因為在計算的每個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，這些中微子不是來自地幔。”按目前粒子物理學的規(guī)則，這么小的可能性相對于正式的“發(fā)現(xiàn)”來說還是太大了。“這種可能性很小，但從物理學的角度來說，它應(yīng)該要更小得多。”
珍妮·威爾森(Jeanne Wilson)是英國瑪麗皇后大學的粒子物理學家，在日本的超級神岡中微子觀測站工作。她認為Borexino觀測站的結(jié)果雖然還很初步，但非常重要。
“從以往的結(jié)果看，我們會很有自信地說觀測到了‘地球中微子’，但隨著觀測結(jié)果越多，你對它們從何而來的信息就知道得越多，”她說，“我們現(xiàn)在正接近一個臨界點，可以開始做這方面的分析。我不認為這些模型中有什么東西會推翻目前已有的關(guān)于地球的模型，但它們確實表明，我們正在接近一個中微子能提供切實幫助的點。”