整個南極都是天然探測器!科學家靠這招 在冰原觀測超高能中微子

2017-11-16 21:00

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南極洲的「拉森C冰棚」(Larsen C ice shelf)的巨大裂縫,後來造成史上最大的冰山之一(AP)

南極洲的「拉森C冰棚」(Larsen C ice shelf)的巨大裂縫,後來造成史上最大的冰山之一(AP)

國立核能研究大學莫斯科工程物理學院(MEPhI)物理學家亞歷山大.諾維科夫向俄新社介紹,俄羅斯學者及其美國國家航空航天局(NASA)的同行們為何每年前往南極洲,在那裡釋放非比尋常的「探空氣球」,並分享了他們對地球南極圈周圍生命的印象。

為何每年夏威夷大學、俄羅斯學者及其美國國家航空航天局、國立核能研究大學莫斯科工程物理學院的學者們,以及世界上許多其他科研中心的學者們,都要前往南極洲的美國麥克默多科考站(McMurdo Station),進行非比尋常的科學考察,在此過程中他們似乎做一些非常奇怪的事情。他們在寒冷的極地空氣中釋放安裝有高科技裝備的探空氣球,在之後的3到4個月內把這些氣球全部任由風吹飄揚。

這些「探空氣球」在尋找一種物質:超高能的中微子,它們是發生在銀河系中心、超大塊黑洞邊緣和宇宙其他角落中的最強烈爆炸和大災難的痕跡,天文學家仍持續討論它們的性質。諾維科夫解釋說:「實際上,探空氣球不能被稱作是某種奇怪的古老事情。現代的探空氣球可以維持自己的高度,在晝夜不同時段升降,並進行其他機動。探空氣球與衛星的區別是:探空氣球可以重複多次釋放,這大大降低了進行觀測活動的花費。」

諾維科夫指出,探空氣球所能夠轉發和取得的資料,遠比衛星做得多。它還有其他幾個優勢,使得參加南極瞬態脈衝天線(Antarctic Impulse Transient Antenna)的科考團隊把「19世紀的遺產」選作基本平臺,收集美國和國立核能研究大學莫斯科工程物理學院製造的檢測器。

冰山

科學家:萬億噸重冰山脫離南極洲(俄羅斯衛星通訊社)

參加南極瞬態脈衝天線專案的美國學者已經尋覓中微子10年,目前他們沒能成功找到一個相似的粒子,不過這不是當前問題,另一個類似項目皮埃爾.奧熱高山望遠鏡在不斷工作幾十年後,也只能發現20或30多條宇宙超能射線。

學者們認為,與太陽和其他星星形成的普通中微子不同的是,超高能中微子在極端非比尋常的過程中產生,其中包括暗物質粒子解體過程,這些觀測試圖揭示它的性質。諾維科夫指出,這種粒子的最罕見特點迫使物理學家們把整個南極洲變成巨大的超高能中微子檢測器。

无人机拍下了南极洲冰架的巨大裂缝

無人機拍下南極洲冰架的巨大裂縫(俄羅斯衛星通訊社) 

南極洲說,南極洲聽

物理學家諾維科夫解釋說:「發現粒子的可能性取決於兩個參數:檢測器的面積,以及它們的執行時間。在我們的情況下,南極洲的冰就在扮演著檢測器的角色。存在相似的地面檢測器:ARIANA和ARA。它們可能晝夜都在運轉,但在這種情況下他們能夠記錄在距自己非常近的距離內所發生的事件。探空氣球有助於我們看到幾乎整個南極洲,並記下發生在距探空氣球幾百公里內所發生的事件。」

這種自然檢測器如何運轉?它建立在蘇聯理論學家古爾根.阿斯卡里揚早在1962年預言的好奇效應基礎上。他注意到,超高能中微子將「打破」物理規律,飛越冰或鹽這些不導電且特別緻密的材料。在這些物質中,光運動的速度比粒子本身慢。

一般而言,粒子的類似「超光速」運動將引起閃光,即所謂的瓦維洛夫-切連科夫射線,但在超高能中微子的情況下,就像阿斯卡里揚所展示的那樣,這個過程將產生帶有特殊性質的無線電束和微波束。在南極洲境內,除了科考基地外,沒有無線電輻射來源,這有助於學者們利用工作原理類似於普通無線電望遠鏡的強大無線電天線,找到飛越厚冰層的超高能中微子的痕跡。

隨著南極瞬態脈衝天線專案的擴大,這種無線電天線的尺寸也不斷增加,目前第4個檢測器版本是給人深刻印象的無線電接收機電池,高7公尺,品質達幾百公斤。諾維科夫解釋說,探空氣球把這種天線綜合體升到3萬7千公尺的高空,在那裡幾乎整個南極洲都可被觀測到。

在俄羅斯學者們參加專案之前,就已經首次啟用過這類天線,結果表明,它們所接收到的無線電訊號包含有大量干擾成分,這與南極洲表面並不能達到理想的平整程度有關。諾維科夫解釋說,需要以某種方式濾掉這種雜散無線電訊號,以便試圖找到南極瞬態脈衝天線所收集的資料中的超高能中微子。

南极洲的美国麦克默多科考站(McMurdo Station)

南極洲的美國麥克默多科考站(McMurdo Station)(俄羅斯衛星通訊社)

由國立核能研究大學莫斯科工程物理學院和堪薩斯大學教授大衛.貝松(David Besson)帶領的俄美物理家團隊,找到了這個問題的巧妙解決方案。學者們在試驗各種無線電訊號來源時,忽然找到了與那些問題作鬥爭的簡單便宜方法,而這些問題曾經讓南極瞬態脈衝天線同行們深受折磨。

原來,所有干擾都可以從資料中除去,以特別的週期性無線電訊號「射擊」南極洲表面,利用在按壓壓電元件時放電的煤氣灶電子打火器,就可以產生無線電訊號,為此需要再釋放2個探空氣球,它們應該排在南極瞬態脈衝天線不遠處的後面,借助國立核能研究大學莫斯科工程物理學院貝松實驗室中製造的光電倍增管來確定自己在空間中的位置。

諾維科夫介紹說:「現在物理學家正在努力製造第3代訊號校準系統,HiCal-3,此系統將把壓電元件加進去。與探空氣球不同的是,它確實可被稱為是上個世紀的遺產。實際上,它與遊客旅行時隨身攜帶生爐子的打火機沒什麼區別,也在類似條件下使用,唯一的例外是由發動機而非人來按下按鈕。從另一方面來說,這種『打火機』的表現極好,目前我們還沒能成功為它選擇一個替代品。」

極圈內的生活

南極瞬態脈衝天線最後一次運行始於去年12月,今年春天結束,當時俄美學者把氦從探空氣球中釋放出來,爾後前往那裡考察,「撤出」硬碟,但把天線本身和飛行器留在原處。

諾維科夫解釋說,這與以下事實有關:探空氣球和天線重達幾噸,只能借助於飛機運送它們,而在南極黑夜即將降臨的條件下,飛機著陸極為複雜,是一個危險的任務。他指出,學者們對新的資料收集寄予厚望,這些資料可能包含有首個暗示,物理學標準模型對超高能中微子的表現的描述不正確,或是證實物理學標準模型。

俄总统代表:俄方愿与中国在南极洲展开合作

諾維科夫接著說:「目前我們沒有這樣的資料,但我們還沒有處理完探空氣球最後一次飛行時所收集的所有資料。我們目前沒能成功找到超高能中微子,但我們的檢測器記錄到了14種其他種類的宇宙射線通過大氣。我們希望,2014年和2016年的科考資料有助於我們找到哪怕是一些超高能中微子,檢驗物理學標準模型。」

他補充說,發現超高能中微子有助於我們不僅著手尋找這種神秘粒子的來源,也在實際上贈給地球免費且不斷運轉的粒子加速器。加速器能夠把它們驅逐到遠在大型強子對撞機甚至是未來對撞機範圍以外的這種速度和能量。

俄羅斯物理學家11月底計畫重返南極洲,南極瞬態脈衝天線科研團隊前往探空氣球進行第2次科考,這次把探空氣球撤退到「大地球上」,為下次飛行開始做準備。這似乎是個簡單的過程,但實際上帶有南極地區所獨有的極大困難和問題。

南极洲

諾維科夫介紹說:「在南極洲與電子設備打交道不會非常愉快,有時簡直很危險,原因是南極洲境內幾乎到處都是零濕度。如果您觸摸到幾乎任何金屬物體或者金屬表面,那麼幾乎總是產生靜電放電,不得不非常小心地處理微電路和積體電路塊。」

他指出,天氣條件和寒冷在釋放探空氣球時為他和同行們帶來的不便要比靜電少得多,但現在他們不得不前往南極地帶科考,探空氣球的天線和氣囊位於那裡,那裡的天氣條件將更為複雜。

諾維科夫希望,南極瞬態脈衝天線的新資料和第2次啟用將有助於在觀察在幾十億年間可能前往地球旅行的粒子時,解釋宇宙一些最有意思也最令人不解的奧秘,揭示宇宙誕生的一些秘密。

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