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南极冰立方中微子天文台:世界熵最大的天文台

南极冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory,简称为“冰立方”IceCube)是由美国国家自然科学基金会资助的,由86根装备了传感器的电缆所组成,这些电缆一头连在地表实验室中,另一头从冰洞向下延伸至2.5公里的深度。该天文台耗资2.79亿美元,是同类天文台中最大的一座,它的使命是去搜寻可以穿透几乎所有物质的神秘亚原子微粒——中微子。

南极冰立方中微子天文台:世界熵最大的天文台

冰立方中微子天文台是建在南极的一个巨型望远镜,它的目的是发现以光速穿过地球的中微子,这是一种令人难以捉摸的亚原子粒子。虽然科学家利用冰立方收集数据的时间已经长达数年,但是它的建造工作直到上周末才结束。人们对中微子知之甚少,不过专家认为它们携带着有关我们的星系和神秘黑洞诞生的信息。

物理学家表示,中微子在猛烈的宇宙事件中诞生,例如位于宇宙边缘的遥远星系相撞或黑洞的产物。这些神秘的高能粒子能在太空里穿行几十亿光年,而不会被磁场和原子吸收或偏转运行方向。通过它们,科学家能找到一些有关宇宙最基本问题的答案。不过要实现这个目的,首先你要发现中微子。为此,科学家正在利用冰观测中微子撞击(组成水冰分子的)原子的罕见场面。

这个巨大的望远镜建在南极深达8000英尺(2.44公里)的冰原下。整个项目耗资2.79亿美元,美国国家科学基金会为其提供了2.42亿美元资助。建设工作的最后阶段是为5160个光学传感器钻86个孔,现在这些传感器已经安装完毕,成为主探测器的组成部分。中微子与原子相撞产生的粒子名叫μ介子,生成的蓝色光束被称作“切伦科夫辐射”。由于南极冰的透明度极高,冰立方的光学传感器能发现这种蓝光。

科学家通过在亚原子相撞后进行的试验,可以追踪到中微子的运行方向、查找到它的起源,看一看它是由黑洞还是由撞击星系产生的。然而,这一过程比探测μ介子更加复杂。因为每个μ介子都是由一个宇宙中微子产生,而位于探测器上方大气里的宇宙射线可以生成一百多万个中微子。为了避免这种干扰,冰立方的传感器直接瞄准下方——经地心指向北极天空,用来探测穿过地球的中微子。

由于中微子是目前已知的唯一一种可以畅通无阻地穿过物质的粒子,故冰立方和南极μ介子及中微子探测器列阵(AMANDA)把地球当做过滤器,以便选出中微子与原子相撞产生的μ介子。令人捉摸不透的中微子的性质,还决定了冰立方的建设位置。中微子望远镜的透明度必须很高,以便分布很广的传感器阵列可以发现撞击产生的光,而且这个环境必须足够黑,以防自然光产生干扰。除此以外,它还必须深埋地下,以避免南半球的宇宙射线对其产生干扰。南极冰符合所有这些条件。

天文台的大小非常重要,因为这可增加中微子与原子相撞的机会,可大大提高观测成功率。另外,南极冰是用来观测世间罕见事件的完美选择。全球大部分冰里都包含着气泡或其他杂质,这就使得观察结果容易产生误差。而南极冰基本上是由水冰组成的巨大冰川,这意味着它包含更多原子,因此会大大增加中微子撞击的机会。圆形探测器被串成串,放入用热水钻开凿出来的冰洞里,钻每个冰洞需要融冰高达20万加仑。并且每根电缆线上有60个传感器,再加上86串传感器串才组成冰立方的主探测器。

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