北京時間11月27日消息，據(jù)國外媒體報道，如果想要真正理解我們所處的宇宙如何運作，就需要對許多不同的物理量進行測量。然而，測量正是科學中最困難的任務(wù)之一。比如，科學家如何測量那些看不見的、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，科學家想出了許多令人驚嘆的方法，將不可能變成了可能，并驗證了許多在物理理論中已經(jīng)預料到的現(xiàn)象。
近日，IceCube聯(lián)合觀測站的科學家宣布了一項相對深奧，卻又非?；A(chǔ)的粒子物理學測量結(jié)果：中微子在最高能量狀態(tài)時與其他粒子相互作用的頻率。測量的結(jié)果與物理學理論相吻合。測量過程需要用到一臺特殊的望遠鏡——埋在南極冰蓋下1立方千米范圍內(nèi)的IceCube探測器。該探測器指向地球深處，可以用來測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驗室的斯潘塞·克萊因（Spencer Klein）說，“除了真的特別冷之外，呼吸也很困難……你要待在觀測站里，那里設(shè)備先進又很舒適，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，它們的速度還是會稍微減慢。物理學家希望測量出中微子與地球物質(zhì)原子相互作用的頻率。這有點像當一個幽靈穿過人群時，測量人們被嚇到的概率，以及這種嚇唬人的舉動是否會讓幽靈筋疲力盡。在這項研究中，科學家想要測量的是具有最高能量的中微子，它們的能量要遠高于粒子物理學實驗設(shè)備（比如大型強子對撞機）中出現(xiàn)的任何粒子。
? ? ? ? ? ?IceCube探測器是世界上最大的中微子探測器，位于南極點附近，擁有5160個探測器，能向上和向下探測高能中微子。
來自太空的高能中微子穿過地球后，到達南極冰層下具有5160個光學感受器的IceCube探測器。在那里，中微子可能會與冰層中的原子相互作用，釋放出μ子（muon）。這些μ子會發(fā)出一道藍光，從而能被光學感受器探測到?？茖W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，計算出了中微子的作用橫截面。
測量結(jié)果并沒有出乎物理學家的預料，而是與主流的粒子物理學理論——標準模型——的預測相吻合。不過，這次測量本身就具有非常重要的意義，因為它排除了一些比較古怪的理論，也證明了標準模型是一個相當不錯的理論。
“這項研究依然很令人不可思議，”MINERvA實驗發(fā)言人黛布拉·哈里斯（Deborah Harris）說道。實際上，標準模型理論也能適用于那些能量比模型設(shè)定時高了1000倍的粒子。其他一些實驗項目也將很快加入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中微子望遠鏡。
對于IceCube探測器的測量結(jié)果，KM3NeT實驗團隊也感到很振奮，并且很高興研究結(jié)果能發(fā)表在著名的《自然》（Nature）雜志上?！爱斈銚碛羞@樣一臺儀器時，這是能取得的最美好的結(jié)果之一，”KM3NeT實驗團隊的代理發(fā)言人Aart Heijboer說，“雖然建立這些探測器的目的是利用中微子觀測天體，但你也可以用它們來研究粒子物理學?！?/p>
此外，盡管分析工作大部分是在大學里完成的，但還需要一類特殊的科學家在南極負責探測器的運行，“這些人，即使犯了錯誤，他們也對尋找真相充滿動力，”《冰雪中的望遠鏡》（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的情況，確保不被欺騙……當你嘗試尋找真相時，你會有很不可思議的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
研究人員將繼續(xù)完善測量方法，他們的這篇論文也只涉及大約1萬個高能中微子。中微子與物質(zhì)原子相互作用時發(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觀測站，最令工作人員感到興奮的是這樣一臺中微子望遠鏡所能達到的成就。“這表明我們利用IceCube和其他實驗，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，因為能量的原因，它們能做到的要超過你在加速器所能得到的?！保ㄈ翁欤?/p>
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