科學(xué)探索：海底的中微子望遠鏡

在地中海西北部的海底，懸浮著(zhù)126個(gè)足球大小的玻璃球，它們就在法國和意大利的海域附近。這些玻璃球可以利用海水構建出一臺天文望遠鏡，尋來(lái)自找暗能量、超新星和中子星碰撞產(chǎn)生的信號。當然，這些玻璃球僅僅是“立方千米中微子望遠鏡”（Kilometer Cube Neutrino Telescope，KM3NeT）項目部署的第一批玻璃球。

該項目的主要目標是尋找一種基本粒子：中微子。它不帶電，幾乎沒(méi)任何質(zhì)量。瓦爾特·溫特（Walter Winter，未參與該研究）是德國電子同步加速器研究中心（German Electron Synchrotron research center）的中微子天體物理學(xué)家，他說(shuō)：“和宇宙射線(xiàn)不同，中微子不受星際空間的磁場(chǎng)作用，這使它可以成為一種獨特的信使。中微子攜帶的信息非常有用，可以與電磁輻射和引力波攜帶的信息互為補充?！?/p>

中微子幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用，能夠直接穿過(guò)大部分物質(zhì)。這種幽靈般的特性使其成為了理想的天文學(xué)研究對象。KM3NeT項目占據了法國和意大利共1立方千米（相當于40萬(wàn)個(gè)奧運會(huì )游泳池）的海域，海域內將部署6000多個(gè)玻璃球，每個(gè)玻璃球內都有31個(gè)非常敏感的光電倍增管探測器，它們能把周?chē)暮Ｋ兂删扌偷耐哥R。這些玻璃球由多根線(xiàn)纜固定，線(xiàn)底部固定在海床上，線(xiàn)頂部固定在浮子上，由此保障線(xiàn)纜緊繃。

帕斯卡爾·夸勒（Paschal Coyle）是法國馬賽粒子物理研究中心（Marseille Particle Physics Center）的物理學(xué)家，也是這個(gè)項目在物理和軟件工程方面的負責人。他說(shuō)：“即便有100萬(wàn)個(gè)中微子來(lái)到這里，可能也只有一兩個(gè)會(huì )與海水中氫原子或氧原子的夸克發(fā)生作用。不過(guò)，由于宇宙中微子具有很高的能量，上述作用會(huì )釋放出運動(dòng)速度極快的帶電粒子”。

這些粒子在水中的運動(dòng)速度比光在水中的速度還快，能夠產(chǎn)生一種特殊的效應，類(lèi)似噴氣式飛機以超音速飛行時(shí)引發(fā)的音爆。這個(gè)過(guò)程會(huì )釋放微弱的射線(xiàn)（即契倫科夫輻射），海底布置的傳感器恰好能探測到這些信號，研究人員以此就能確定中微子的能量和運動(dòng)方向。

在許多中微子天文望遠鏡中，“KM3NeT是獨一無(wú)二的。特別值得說(shuō)明的是，由于尺寸巨大，它能以迄今為止最高的分辨率探測來(lái)自南半球天空的中微子，包括中微子的能量和方向?！睖靥卣f(shuō)。

這套設備在法國境內的工程計劃于2024年完工，可用于探測宇宙射線(xiàn)與地球大氣層相互作用時(shí)產(chǎn)生的低能量中微子。當這些粒子穿過(guò)地球時(shí)，能夠以類(lèi)似X射線(xiàn)的方式提供地球內部的一些信息。在意大利境內的工程計劃于2026年完工，將用于探測離我們很遠的宇宙中微子，這類(lèi)中微子主要是由恒星死亡或高密度暗能量相互碰撞時(shí)釋放的。

有趣的是，這些望遠鏡朝海底方向探測時(shí)最清晰，因為地球恰好充當擋箭牌，過(guò)濾掉了那些源源不斷轟擊地球的宇宙輻射，以及其中的背景粒子。中微子是目前已知唯一可以穿透地球的粒子。

撰文：達南杰·卡迪爾卡（Dhananjay Khadilkar）

翻譯：張哲

文章來(lái)源：環(huán)球科學(xué)

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