北京時(shí)間11月27日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，如果想要真正理解我們所處的宇宙如何運(yùn)作，就需要對(duì)許多不同的物理量進(jìn)行測(cè)量。然而，測(cè)量正是科學(xué)中最困難的任務(wù)之一。比如，科學(xué)家如何測(cè)量那些看不見的、能直接穿過固體物質(zhì)的微觀粒子？為了解決諸如此類的問題，科學(xué)家想出了許多令人驚嘆的方法，將不可能變成了可能，并驗(yàn)證了許多在物理理論中已經(jīng)預(yù)料到的現(xiàn)象。
近日，IceCube聯(lián)合觀測(cè)站的科學(xué)家宣布了一項(xiàng)相對(duì)深?yuàn)W，卻又非?；A(chǔ)的粒子物理學(xué)測(cè)量結(jié)果：中微子在最高能量狀態(tài)時(shí)與其他粒子相互作用的頻率。測(cè)量的結(jié)果與物理學(xué)理論相吻合。測(cè)量過程需要用到一臺(tái)特殊的望遠(yuǎn)鏡——埋在南極冰蓋下1立方千米范圍內(nèi)的IceCube探測(cè)器。該探測(cè)器指向地球深處，可以用來測(cè)量來自地球另一端的粒子特征。
“你身處一片荒蕪之中，溫度在零下20到40度，海拔高度是一萬英尺（約合3000米）左右，”論文作者之一、美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的斯潘塞·克萊因（Spencer Klein）說，“除了真的特別冷之外，呼吸也很困難……你要待在觀測(cè)站里，那里設(shè)備先進(jìn)又很舒適，就像太空飛船一樣?！?/p>
你可能還記得原子可以再細(xì)分為亞原子粒子，如質(zhì)子、中子和電子，而宇宙中還存在另一種被稱為中微子的粒子，它們幾乎不與常規(guī)物質(zhì)相互作用，能輕松地穿過地球。不過，在穿越過程中，它們的速度還是會(huì)稍微減慢。物理學(xué)家希望測(cè)量出中微子與地球物質(zhì)原子相互作用的頻率。這有點(diǎn)像當(dāng)一個(gè)幽靈穿過人群時(shí)，測(cè)量人們被嚇到的概率，以及這種嚇唬人的舉動(dòng)是否會(huì)讓幽靈筋疲力盡。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家想要測(cè)量的是具有最高能量的中微子，它們的能量要遠(yuǎn)高于粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（比如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）中出現(xiàn)的任何粒子。
? ? ? ? ? ?IceCube探測(cè)器是世界上最大的中微子探測(cè)器，位于南極點(diǎn)附近，擁有5160個(gè)探測(cè)器，能向上和向下探測(cè)高能中微子。
來自太空的高能中微子穿過地球后，到達(dá)南極冰層下具有5160個(gè)光學(xué)感受器的IceCube探測(cè)器。在那里，中微子可能會(huì)與冰層中的原子相互作用，釋放出μ子（muon）。這些μ子會(huì)發(fā)出一道藍(lán)光，從而能被光學(xué)感受器探測(cè)到?？茖W(xué)家比較了從地球另一端穿過來的中微子（必須與大量原子相互作用）和來自水平方向的中微子（幾乎沒有與地球物質(zhì)發(fā)生相互作用）的軌跡，計(jì)算出了中微子的作用橫截面。
測(cè)量結(jié)果并沒有出乎物理學(xué)家的預(yù)料，而是與主流的粒子物理學(xué)理論——標(biāo)準(zhǔn)模型——的預(yù)測(cè)相吻合。不過，這次測(cè)量本身就具有非常重要的意義，因?yàn)樗懦艘恍┍容^古怪的理論，也證明了標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的理論。
“這項(xiàng)研究依然很令人不可思議，”MINERvA實(shí)驗(yàn)發(fā)言人黛布拉·哈里斯（Deborah Harris）說道。實(shí)際上，標(biāo)準(zhǔn)模型理論也能適用于那些能量比模型設(shè)定時(shí)高了1000倍的粒子。其他一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也將很快加入IceCube的行列，共同搜尋高能中微子和來自太空的中微子，比如布置在地中海的KM3NeT中微子望遠(yuǎn)鏡。
對(duì)于IceCube探測(cè)器的測(cè)量結(jié)果，KM3NeT實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)也感到很振奮，并且很高興研究結(jié)果能發(fā)表在著名的《自然》（Nature）雜志上。“當(dāng)你擁有這樣一臺(tái)儀器時(shí)，這是能取得的最美好的結(jié)果之一，”KM3NeT實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的代理發(fā)言人Aart Heijboer說，“雖然建立這些探測(cè)器的目的是利用中微子觀測(cè)天體，但你也可以用它們來研究粒子物理學(xué)?！?/p>
此外，盡管分析工作大部分是在大學(xué)里完成的，但還需要一類特殊的科學(xué)家在南極負(fù)責(zé)探測(cè)器的運(yùn)行，“這些人，即使犯了錯(cuò)誤，他們也對(duì)尋找真相充滿動(dòng)力，”《冰雪中的望遠(yuǎn)鏡》（The Telescope in the Ice）一書作者馬克·鮑恩（Mark Bowen）說，“他們必須直接注視真實(shí)的情況，確保不被欺騙……當(dāng)你嘗試尋找真相時(shí)，你會(huì)有很不可思議的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
研究人員將繼續(xù)完善測(cè)量方法，他們的這篇論文也只涉及大約1萬個(gè)高能中微子。中微子與物質(zhì)原子相互作用時(shí)發(fā)生了什么？以及穿過地球的中微子來自太空中什么地方？這些都是研究人員希望解答的問題。
在IceCube觀測(cè)站，最令工作人員感到興奮的是這樣一臺(tái)中微子望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到的成就。“這表明我們利用IceCube和其他實(shí)驗(yàn)，加上天然產(chǎn)生的中微子，就能完成眾多有趣的物理工作，”克萊因說，“在某種程度上，因?yàn)槟芰康脑颍鼈兡茏龅降囊^你在加速器所能得到的。”（任天）
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