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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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。

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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。」

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