中微子研究獲新進展：以接近光速穿行

新浪科技訊 北京時間8月12日消息，據國外媒體報導，物理學家已經獲得了許多有關中微子的新發現。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”數量已經增加了一倍。近日，這個研究站宣佈探測到了目前最高能的中微子。

與此同時，在義大利的一個探測器第一次證實，在地球的地殼之下也會生中微子。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，且几乎沒有質量的亞原子粒子，几乎不與其他任何物質發生反應。這意味它們能以直線穿過宇宙，毫無干擾地穿過整顆行星，並且很難被探測到。在南極的冰層下，IceCube中微子觀測站的數千個探測器分佈在1立方公里的範圍內，這些探測器裝有光學感測器，用於捕捉中微子偶爾擊中原子時生的閃光。

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生的最高能粒子。從那時到現在，這種高能的“宇宙中微子”數量已經上升到了50個以上。

在本周於荷蘭舉行的一次會議上，IceCube觀測站宣佈了一個破紀錄的事件，由該站的探測器在2014年6月發現。他們探測到了一個攜帶至少2600TeV能量的中微子——比大型強子對撞機裏的光子還高數百倍。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。中微子本身並不能被探測到，IceCube發現的是一個不同的粒子，稱為μ子(muon)——繆中微子(μ中微子)的物，而且它是從北極方向來的。

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)：“它是由一個穿過地球，從我們的探測器下方出現的中微子所生的。”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範圍的中間，”哈爾岑解釋道，“這個中微子的能量相當於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來確定探測到的宇宙中微子數量增加了一倍。他們已經在對兩年來的數據進行重新分析，此前在這些數據中已經發現了超過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。

在即將發表於《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，揭示了有同樣數量的謬中微子從北半球飛入了地球內部。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：“這種新的方法使我們獲得了同等數量的繆中微子，我們的統計因此也達到了100以上。”重要的是，μ子相對較重，因此當冰層中的感測器發覺它們的經過，其軌跡也能夠再進行重建。這使得IceCube成為一台望遠鏡，能向北穿過地球，觀察中微子所來自的宇宙角落。

來自內部的轟擊

中微子還可以由少得多的能量生，而且與我們的距離也可以更近。Borexino觀測站埋在義大利格瑞·薩蘇的地下，200噸特製油填滿了一個巨大的、球形的桶，裏面裝有光學感測器。Borexino觀測站的建造目的是為了捕獲由太陽中心核反應生的低能中微子。觀測站以往的工作是成功的，但現在國際研究團隊利用其7年的數據，對地球內部進行探測。

我們的地球內部能生大量的熱——大約為世界所有電廠總量的20倍。這些熱大部分是輻射熱，但科學家並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發現了這些“地球中微子”的蹤跡，伴隨的是無數由地球表面核電站生的游離中微子。

不過，在一篇准備發表在《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，顯示從地殼以下的地幔層也會生中微子。這組數據包含了77個候選的中微子，計算結果顯示有24個來自地球內部，而不是來自核電站的反應堆。在這24個中微子中，研究者能几乎肯定——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一些不確定性。

阿爾多稱：“它在98%的置信水平，意味還有極小的可能是，這些中微子不是來自地幔。”按目前粒子物理學的規則，這麼小的可能性相對於正式的“發現”來還是太大了。“這種可能性很小，但從物理學的角度來，它應該要更小得多。”

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觀測站的結果雖然還很初步，但非常重要。

“從以往的結果看，我們會很有自信地觀測到了‘地球中微子’，但隨觀測結果越多，你對它們從何而來的信息就知道得越多，”她，“我們現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麼東西會推翻目前已有的關於地球的模型，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。”(任天)