科學探索：60年前的預言，被冰立方中微子觀測實驗證實了


位於南極的冰立方中微子天文台捕捉到了一起格拉肖共振事件，這是諾貝爾獎獲得者、物理學家謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）於1960年預言的，由反中微子和電子相互作用產生W-玻色子的事件。
2016年12月6日，一粒名為電子反中微子的高能粒子從太空攜帶6.3PeV（1PeV=1015eV）的能量，以接近光速射向地球，在南極冰蓋深處與一粒電子碰撞，生成了一個新粒子，隨後迅速衰變為次級粒子。建立在南極冰川下的大型探測器——冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）成功捕獲了這一事件。
冰立方探測器陣列被部署在冰層內部，占地近250英畝（約4000平方米），傳感器可抵達一英裏（1.6千米）深度。總而言之，冰立方能夠覆蓋一立方千米的空間範圍，監測超過十億噸極度潔淨的冰體。
這一次，冰立方觀測到了格拉肖共振（Glashow resonance）——由諾貝爾獎獲得者謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）於1960年預言的現象。通過這一觀測，科學家們為粒子物理標準模型提供了又一證據。這也進一步展示了冰立方使用部署在南極冰蓋下的數千枚探測器對這類靜質量幾乎為零的粒子——中微子進行探測，從而推動基礎物理研究的強大能力。
1960年，在位於丹麥哥本哈根的尼爾斯·玻耳研究所（Niels Bohr Institute）任博士後研究員的格拉肖提出了這一共振的理論模型。他在論文中指出，具有恰當能量的反中微子（中微子的反粒子）應能與電子以共振的方式相互作用，產生一種暫未發現的新粒子。


冰立方記錄到的格拉肖共振的可視化效果。每個著色的球體表示一個被事件信號觸發的傳感器；越偏向紅色表示傳感器被觸發的時間越早。這一事件又被形象地稱作“繡球花”（Hydrangea）。圖片來源：IceCube Collaboration
這一新粒子——W-玻色子，於1983年被發現，而其能量為6.3PeV，這比當初格拉肖和同事們預想的高得多，幾乎比歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）所能產生的能量高出1000倍。實際上，無論是現存的還是計劃中的人造粒子加速器，都無法生成具有如此巨大能量的中微子。
人造加速器做不到，但太空中的天然加速器如何呢？星係中心的超大質量黑洞以及其他極端宇宙事件都能夠生成地球上無法產生的高能粒子。這類現象極有可能就是2016年冰立方觀測到的6.3PeV反中微子的來源。
“格拉肖在玻爾手下做博士後的時候一定沒有想到，他提出的這一W-玻色子生成機製會被從遙遠星係撞向南極冰蓋的一粒反中微子實現，”冰立方的運維部門主管、課題組長、美國威斯康星大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）物理係教授Francis Halzen說。
自從冰立方於2011年5月開始全麵運行以來，這一觀測站已經數百次監測到天體高能中微子，並在粒子天體物理學中產生了許多重要成果，其中包括了2013年天體中微子流的發現和2018年首個天體中微子源的發現。但格拉肖共振事件仍然值得特別注意，因為它具備極高的能量——這是冰立方觀測到的第三起能量在5PeV以上的事件。


嵌入南極冰層中的冰立方結構示意圖。圖片來源：IceCube / NSF
“這一結果證明了基於中微子的天文學研究的可行性，也證明了冰立方在這一領域進行研究的能力——它將在未來的多信使天體粒子物理（multimessenger astroparticle physics）中發揮重要作用，”德國慕尼黑工業大學（TU Munich）博士後Christian Haack說，“我們現在能夠準確無誤地對來自地外的單個中微子事件進行監測。”Haack在德國亞琛工業大學（RWTH Aachen）攻讀博士學位期間就開始參與這項分析工作。
這一成果也為中微子天文學打開了嶄新篇章——這標誌著科學家開始區分中微子和反中微子的差異。“以往的觀測靈敏度還不足以區分中微子和反中微子的差異，而這次的研究成果首次成功對天體中微子流中的反中微子分量進行了直接測量，”時任日本千葉大學（Chiba University）博士後的論文主要分析者之一Lu Lu表示。
“天體中微子源的很多參數性質我們目前無法測量，例如加速結構的物理尺度以及加速區域的磁場強度，”威斯康星冰立方粒子天體物理中心（Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center）的助理科學家、研究的另一位主要分析者Tianlu Yuan說，“如果我們能夠確認中微子與反中微子的占比，就能夠對這些未知性質進行直接的研究。”
冰立方合作組織希望看到更多的格拉肖共振事件，以確認這次的探測結果，並對中微子-反中微子比進行確認。一份冰立方的擴展提案—— 冰立方二代（IceCube-Gen2），將使得科學家能夠以具有統計學意義的方式進行這樣的觀測。團隊近期宣布了將在未來幾年對探測器進行的升級項目，這將是向冰立方二代邁出的第一步。
現任美國波士頓大學（Boston University）物理學名譽教授的格拉肖肯定了進行更多格拉肖共振探測的需求：“絕對可以肯定的是，我們將還會見到具有相同能量的同類事件。目前見到了一起事件，將來總會見到更多。”
最後，這一結果證明了國際合作的重要價值。冰立方由來自12個國家、53家機構的超過400名科學家、工程師和工作者共同運營，他們共同組成了冰立方合作組織。撰寫這篇論文的主要分析者的合作跨域了亞洲、北美洲和歐洲。
“這一發現也是另一重意義上的‘首次’，證明了冰立方產出獨特而出色的成果的能力，”瑞典烏普薩拉大學（Uppsala University）物理學教授、冰立方合作組織前發言人Olga Botner說。
“冰立方是一個了不起的項目。在短短幾年的運行中，它不僅已經發現了設計時期望發現的東西——高能宇宙中微子、它們在耀變星體中可能的來源、以及它們對多信使天體物理研究的促進作用，”美國國家科學基金會（NSF）極地項目辦公室（Office of Polar Programs）項目官員 Vladimir Papitashvili說。NSF 物理學部（Division of Physics）項目官員James Whitmore補充：“如今，冰立方更是令科學家驚喜地發現了新的寶庫，甚至連理論學家都沒有預料到能這麽快發現它們。”
翻譯：武大可
審校：戚譯引
引進來源：WIPAC，威斯康星大學麥迪遜分校
引進鏈接：https://eurekalert.org/pub_releases/2021-03/wipa-ido030821.php
本文來自：環球科學


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