有史以來(lái)第一次，一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了地球吸收中微子的能力 - 這是一種小于原子的粒子，它以幾乎光速的速度每秒以數(shù)萬(wàn)億的速度在整個(gè)太空中穿過(guò)。該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)IceCube探測(cè)器實(shí)現(xiàn)的，該探測(cè)器由5,160個(gè)籃球大小的傳感器組成，這些傳感器在南極附近非常清澈的冰塊內(nèi)深處凍結(jié)。

這一成就很重要，因?yàn)樗状伪砻?，非常高能量的中微子可以被某種東西吸收 - 在這種情況下，就是地球，”賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)與天體物理學(xué)教授Doug Cowen說(shuō)。 。2013年，IceCube首次發(fā)現(xiàn)了極高能量中微子，但關(guān)于任何一種物質(zhì)是否能夠真正阻止中微子穿越太空的旅程仍然是一個(gè)謎。“我們知道低能中微子幾乎可以穿過(guò)任何東西，”考恩說(shuō)，“但是雖然我們?cè)A(yù)計(jì)高能中微子會(huì)有所不同，但之前的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有能夠令人信服地證明高能中微子可以通過(guò)任何事情“。

Nature論文中的結(jié)果基于來(lái)自大約10,800個(gè)中微子相關(guān)相互作用的一年數(shù)據(jù)。Cowen和Tyler Anderson是賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)助理研究教授，他們是IceCube合作的成員。他們是Nature論文的共同作者，他們幫助建立了IceCube探測(cè)器并為其維護(hù)和管理做出了貢獻(xiàn)。

使用IceCube的這一新發(fā)現(xiàn)是我們對(duì)宇宙如何運(yùn)作的深入理解的一個(gè)令人興奮的補(bǔ)充。對(duì)于那些希望實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪沂井?dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，這也有點(diǎn)令人失望。“這項(xiàng)冰立方研究的結(jié)果完全符合粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型 - 過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)所描述的宇宙中除了重力之外的所有物理力量的統(tǒng)治理論，”考恩說(shuō)。

中微子最初是在宇宙開始時(shí)形成的，它們繼續(xù)由整個(gè)太空中的恒星和地球上的核反應(yīng)堆產(chǎn)生。“理解中微子如何相互作用是IceCube運(yùn)作的關(guān)鍵，”IceCube中微子天文臺(tái)和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校物理學(xué)教授的首席研究員Francis Halzen解釋說(shuō)。“我們當(dāng)然希望出現(xiàn)一些新的物理學(xué)，但不幸的是我們發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型像往常一樣經(jīng)得起考驗(yàn)，”Halzen說(shuō)。

IceCube的傳感器并不直接觀察中微子，而是測(cè)量藍(lán)光的閃光，稱為Cherenkov輻射，在一系列相互作用后發(fā)射，這些相互作用涉及中微子與冰相互作用時(shí)產(chǎn)生的快速移動(dòng)的帶電粒子。通過(guò)測(cè)量探測(cè)器陣列中或附近的這些相互作用的光圖案，IceCube可以估算出中微子的能量和行進(jìn)方向。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，必須穿越地球最遠(yuǎn)的中微子不太可能到達(dá)探測(cè)器。

為這項(xiàng)研究選擇的大多數(shù)中微子的能量比太陽(yáng)或核電站等更熟悉的中子產(chǎn)生的中微子的能量高出一百多萬(wàn)倍。該分析還包括少量的天體物理中微子，這些中微子是在地球大氣層外產(chǎn)生的，來(lái)自迄今未確定的宇宙加速器，可能與超大質(zhì)量黑洞有關(guān)。

加拿大阿爾伯塔大學(xué)物理學(xué)教授，賓夕法尼亞州立大學(xué)博士后學(xué)者IceCube Collaboration的發(fā)言人達(dá)倫格蘭特說(shuō)：“中微子在他們的行為方面有著令人驚訝的聲譽(yù)。” “看到第一次測(cè)量以及它對(duì)未來(lái)精密測(cè)試的潛力非常令人興奮。”

除了提供地球吸收中微子的第一次測(cè)量之外，分析還表明，IceCube的科學(xué)范圍超越了其核心關(guān)注粒子物理學(xué)發(fā)現(xiàn)和中微子天文學(xué)的新興領(lǐng)域，進(jìn)入了行星科學(xué)和核物理領(lǐng)域。對(duì)于想要利用中微子對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行成像以探索地球內(nèi)部固體核心與其液體外核之間的邊界的地球物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這種分析也很有意義。

“IceCube的建立是為了探索物理學(xué)的前沿，并且在這樣做的過(guò)程中，可能會(huì)挑戰(zhàn)對(duì)宇宙本質(zhì)的現(xiàn)有看法。這一新發(fā)現(xiàn)以及未來(lái)的其他發(fā)現(xiàn)都在于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，”項(xiàng)目總監(jiān)詹姆斯惠特莫爾說(shuō)。在國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的物理部門。物理學(xué)家現(xiàn)在希望使用來(lái)自完整的86弦IceCube陣列的數(shù)據(jù)的擴(kuò)展的多年分析來(lái)重復(fù)該研究，并且針對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的任何新物理提示，觀察更高范圍的中微子能量。