先给你一个数字:此时此刻,每秒钟大约有650亿个中微子穿过你的指甲盖,你一点感觉都没有。
这种粒子,科学家管它叫“幽灵粒子”。它不带电荷,质量小到几乎可以忽略,几乎不跟任何物质打交道。它能穿墙、穿地、穿地球,从南半球钻进来,从北半球钻出去,一声招呼都不打。
今年10月6日,诺贝尔物理学奖就颁给了抓这种粒子的人。
得奖的是弗朗西斯·哈尔岑,1944年出生在比利时,现在在美国威斯康星大学麦迪逊分校任教。获奖理由是:对冰立方中微子天文台作出的决定性贡献,以及发现来自天体物理起源的高能中微子。今年的物理奖只颁给了他一个人,奖金1200万瑞典克朗,折合人民币大约806万。
而在斯德哥尔摩的发布会上,诺贝尔委员会把目光往外一划,点到了中国的名字。
他们特别提到了南海3500米深处,中国正在建设的第一台深海中微子望远镜,代号“海铃”,英文名TRIDENT。
那问题就来了:抓几个看不见的粒子,凭什么值得一个诺贝尔奖?
先说说这东西为什么值得抓。
我们平时看宇宙,靠的是光。可见光、X射线、射电,说到底都是电磁波。可电磁波有个毛病,遇到宇宙里的尘埃和致密物质就会被挡住。黑洞喷流的内核到底长什么样,光学望远镜常常看不进去。
中微子不吃这一套。它诞生在宇宙最暴烈的场合里:宇宙射线在极端天体内部被加速,再撞上周围的气体和光子,就生出这些粒子。它们不受阻挡,从天体核心直接飞出来,穿过亿万光年,落到地球上。
说白了,光是被拦在门外的信使,中微子是从门缝里钻进来的那一个。
可要抓住它,太难了。
地球上空天天有宇宙射线撞大气,撞出一大堆大气中微子,数量比天上来的多得多,全是噪声。真正的宇宙中微子能量更高,可也更稀少。想多抓几个,唯一的办法就是把探测器的体积做到离谱大。
哈尔岑的办法,就离谱。
1988年,他在一次学术会议上提出:去南极,拿冰当探测器。这个想法当年听着像开玩笑。冰哪儿没有,为什么非得跑南极?他的理由很实在:南极冰层干净,电磁干扰少,没有生物干扰,放射性本底低,地质也稳,不闹地震。更关键的是那地方够大,大到可以拿整整一立方公里的冰来干活。
后来这段路走得也挺曲折。1992年,他们第一次把光传感器塞进南极冰层,先做了个小装置。一开始结果让人很失望,冰层上部气泡太多,光在里面乱散射,粒子轨迹糊成一团。一直钻到1400米以下,冰突然干净了,中微子撞出来的那点蓝光,在被吸收前能跑三百米远。这个意外发现,把整个项目救了回来。
施工这事听着简单,做起来是苦活。他们用热水钻把冰层融出几公里深的孔,再把挂满传感器的长缆一段段放下去。一年里能干活的时间只有11月到第二年2月那几个月,剩下的日子南极根本进不去,只能等。哈尔岑后来回忆,1993年圣诞前夜,他坐在餐桌旁边,腿上放着电脑,就为等一条装了光学模块的电缆成功下放的消息。
等设备真跑起来,麻烦也没完。每天有超过一亿个大气粒子被它记录下来,真正的宇宙中微子就混在这一堆信号里头,得靠海量的数据一点点往外筛。
于是就有了“冰立方”:一立方公里的南极冰,里面挂上5160个光传感器,分在86条缆线上,最深的位置在冰下2450米。2011年,它正式建成。
哈尔岑自己形容这些传感器是“反向的灯泡”:不发光,专门接光。
建成之后,它听到的第一声宇宙回响是在2013年。那一年,冰立方报告了第一批来自太阳系之外的高能中微子。消息出来的时候,不少人是不敢信的。
再往后,线索一点点多了。有个活动星系叫NGC 1068,也叫M77,冰立方记录到的中微子里,有79个像是从那个方向来的,可证据还不够硬。还有一个叫TXS 0506+056的耀变体,关联信号超过了3倍标准偏差,可离物理学界认可的5西格玛,还是差着一截。
近几年,冰立方团队还第一次看到了来自银河系内部的高能中微子。科学家猜测,它们是宇宙射线撞上恒星之间那些稀薄气体原子时生出来的。
南京大学天文与空间科学学院的柳若愚研究员有句话说得很实在:冰立方是开创性的工作,打开了一扇新窗口,但远没有把问题全部解决。高能中微子到底来自哪些天体,宇宙射线又是怎么被加速到那种程度的,这些谜题还摆在那儿。
所以全世界都在抢着建下一代望远镜。
中国这边,动作不小。
这次被诺奖报告点名的那台“海铃”,由上海交通大学李政道研究所牵头,要建在南海3500米深的海底。它跟冰立方思路相同,做法不同:冰立方藏在冰里,海铃挂在水里。它打算把整个地球当成盾牌,专门接从地球另一面穿过来的中微子,再靠地球自转做全天域扫描。
有意思的是,哈尔岑本人还是李政道研究所国际学术咨询委员会的委员。他公开说过一句话:“海铃将为中微子天文学开启新的篇章。”
除了海铃,还有一个更狠的计划叫HUNT,由中国科学院高能物理研究所曹臻院士牵头,南京大学等多家单位参与预研,目标是把有效探测体积做到冰立方的30倍,主攻100TeV以上的更高能段。
这里得说清一件事,别把咱们熟悉的大亚湾、江门中微子实验跟它搞混了。那两个实验主要抓核反应堆来的、能量低得多的中微子,研究的是中微子这个粒子本身的性质。冰立方和海铃干的是另一件事:把中微子当望远镜用,去做天文观测。
南极那边也没停手,“冰立方-Gen2”已经在规划,规模要从1立方公里扩到8立方公里。
从南极的冰,到南海的水,人类正在干的事情,说白了就一句话:把耳朵贴到宇宙的胸口上,听它最微弱的那点动静。
哈尔岑今年已经八十出头,这个奖,是对他四十年死磕一块冰的交代。而下一封“宇宙来信”,会不会被中国的望远镜先收到?海铃建成之后,第一个抓到的信号又会是什么?
评论区聊聊你的想法呗。
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