科學(xué)探索：海底的中微子望遠(yuǎn)鏡

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

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是尋找一種基本粒子：中微子。它不帶電，幾乎沒任何質(zhì)量。瓦爾特·溫特（Walter Winter，未參與該研究）是德國(guó)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：“和宇宙射線不同，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(dú)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(bǔ)充。”

中微子幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用，能夠直接穿過大部分物質(zhì)。這種幽靈般的特性使其成為了理想的天文學(xué)研究對(duì)象。KM3NeT項(xiàng)目占據(jù)了法國(guó)和意大利共1立方千米（相當(dāng)于40萬(wàn)個(gè)奧運(yùn)會(huì)游泳池）的海域，海域內(nèi)將部署6000多個(gè)玻璃球，每個(gè)玻璃球內(nèi)都有31個(gè)非常敏感的光電倍增管探測(cè)器，它們能把周圍的海水變成巨型的透鏡。這些玻璃球由多根線纜固定，線底部固定在海床上，線頂部固定在浮子上，由此保障線纜緊繃。

帕斯卡爾·夸勒（Paschal Coyle）是法國(guó)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(xiàng)目在物理和軟件工程方面的負(fù)責(zé)人。他說：“即便有100萬(wàn)個(gè)中微子來到這里，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，由于宇宙中微子具有很高的能量，上述作用會(huì)釋放出運(yùn)動(dòng)速度極快的帶電粒子”。

這些粒子在水中的運(yùn)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(yīng)，類似噴氣式飛機(jī)以超音速飛行時(shí)引發(fā)的音爆。這個(gè)過程會(huì)釋放微弱的射線（即契倫科夫輻射），海底布置的傳感器恰好能探測(cè)到這些信號(hào)，研究人員以此就能確定中微子的能量和運(yùn)動(dòng)方向。

在許多中微子天文望遠(yuǎn)鏡中，“KM3NeT是獨(dú)一無二的。特別值得說明的是，由于尺寸巨大，它能以迄今為止最高的分辨率探測(cè)來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。

這套設(shè)備在法國(guó)境內(nèi)的工程計(jì)劃于2024年完工，可用于探測(cè)宇宙射線與地球大氣層相互作用時(shí)產(chǎn)生的低能量中微子。當(dāng)這些粒子穿過地球時(shí)，能夠以類似X射線的方式提供地球內(nèi)部的一些信息。在意大利境內(nèi)的工程計(jì)劃于2026年完工，將用于探測(cè)離我們很遠(yuǎn)的宇宙中微子，這類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(yuǎn)鏡朝海底方向探測(cè)時(shí)最清晰，因?yàn)榈厍蚯『贸洚?dāng)擋箭牌，過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(dá)南杰·卡迪爾卡（Dhananjay Khadilkar）

翻譯：張哲

文章來源：環(huán)球科學(xué)

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