南极“冰立方”中微子探测器探究宇宙射线起源

伽马射线爆发（GRB）模型。有理论认为超高能宇宙射线起源于伽马暴，但“冰立方”探测器的新结果并不支持这种理论。

巨大的南极“冰立方”中微子探测器与埃菲尔铁塔大小对比图

在物理学中，宇宙射线的起源一直是持久的谜团之一，现在看起来这个谜团还要持续更长的时间。宇宙射线来源的主要候选者之一是“伽马射线爆”（GRB），物理学家们一直期盼着能用位于南极的巨大“冰立方”中微子天文台来验证该理论。但是，物理学家通过对300多个伽马射线爆的观测结果表明，这些伽马暴并没有伴随着的中微子存在的证据。总之，宇宙射线的起源并不像我们原来想象的那样。

但是，正如爱迪生所言“每一次放弃错误尝试都是向前迈进的一步”，在物理学家看来，最新的这个负面结果也是一次进展。来自威斯康星大学的物理学教授（冰立方项目的负责人）弗朗西斯•赫尔任（Francis Halzen）说：“虽然我们还没有发现宇宙射线来自哪里，但是我们已经取得了重要进步，因为我们排除了预测宇宙射线产生的主要模型之一。”

宇宙射线是带电的粒子（例如质子），它们从四面八方轰击着地球，有些能量能达到人工加速器中粒子能量的一亿倍。产生如此高能的粒子所需要的极端条件使物理学家们的兴趣集中在了两个潜在的来源：位于活动星系中心区域的大质量黑洞和伽马射线爆，在遥远的星系中观察到过伽马射线闪光和极端高能爆炸的关联性。

“冰立方”观测的是中微子，中微子能伴随着宇宙射线产生。“冰立方”的科学家们负责一项从已观察到的300个伽马射线爆发中查找伴有中微子发出的例子，令人吃惊的是，他们没有发现一个这样的事件！该结果与提出了15年之久的宇宙射线来源的预测模型相矛盾，向宇宙射线起源于伽马射线爆发这个理论模型发起了挑战。

“冰立方”探测器是为了探测高能中微子。冰立方小组在论文中指出，他们发现与伽马射线爆发有关的高能中微子的流量上限比模型预测的要低3.7个因子。这暗示着，要么伽马射线爆发不是唯一的能量高于10^18电子伏特的宇宙射线的来源，要么产生中微子的效率比先前预期的要低的多。物理学家们指出，无论怎样我们目前的“伽马射线爆发与中微子产生”的理论模型需要修改。

“冰立方”的发言人，来自马里兰大学物理系的教授格雷格•沙利文（Greg Sullivan）说：“这次中微子的研究结果非常重要，因为这是我们第一次拥有了足够灵敏的工具来打开宇宙射线的产生和伽马射线爆发时其内部过程的新窗口。

“冰立方”是建立在南极的一个中微子探测器，用来记录与质量几乎为零的中微子相互作用时产生的信号。该装置通过探测中微子与冰相互作用产生的微弱闪光来记录中微子。中微子可以非常轻松的穿过人体、墙壁以及整颗地球。为了探测中微子与冰的稀有相互作用，“冰立方”的体积巨大，一立方公里的冰川足可以装满400个吉萨大金字塔，其中5600个光学传感器被埋藏在了2.5公里深的冰雪内部。

科学家们表示，随着更多的数据从“冰立方”中产出，将能帮助科学家们更好的理解宇宙射线起源的谜团。南极“冰立方”中微子探测器是由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的250名物理学家和工程师组成的合作小组来操作的。

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