科學探索：海底的中微子望遠鏡

在地中海西北部的海底，懸浮著126個足球大小的玻璃球，它們就在法國和意大利的海域附近。這些玻璃球可以利用海水構建出一臺天文望遠鏡，尋來自找暗能量、超新星和中子星碰撞產生的信號。當然，這些玻璃球僅僅是“立方千米中微子望遠鏡”（Kilometer Cube Neutrino Telescope，KM3NeT）項目部署的第一批玻璃球。

該項目的主要目標是尋找一種基本粒子：中微子。它不帶電，幾乎沒任何質量。瓦爾特·溫特（Walter Winter，未參與該研究）是德國電子同步加速器研究中心（German Electron Synchrotron research center）的中微子天體物理學家，他說：“和宇宙射線不同，中微子不受星際空間的磁場作用，這使它可以成為一種獨特的信使。中微子攜帶的信息非常有用，可以與電磁輻射和引力波攜帶的信息互為補充。”

中微子幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用，能夠直接穿過大部分物質。這種幽靈般的特性使其成為了理想的天文學研究對象。KM3NeT項目占據了法國和意大利共1立方千米（相當于40萬個奧運會游泳池）的海域，海域內將部署6000多個玻璃球，每個玻璃球內都有31個非常敏感的光電倍增管探測器，它們能把周圍的海水變成巨型的透鏡。這些玻璃球由多根線纜固定，線底部固定在海床上，線頂部固定在浮子上，由此保障線纜緊繃。

帕斯卡爾·夸勒（Paschal Coyle）是法國馬賽粒子物理研究中心（Marseille Particle Physics Center）的物理學家，也是這個項目在物理和軟件工程方面的負責人。他說：“即便有100萬個中微子來到這里，可能也只有一兩個會與海水中氫原子或氧原子的夸克發(fā)生作用。不過，由于宇宙中微子具有很高的能量，上述作用會釋放出運動速度極快的帶電粒子”。

這些粒子在水中的運動速度比光在水中的速度還快，能夠產生一種特殊的效應，類似噴氣式飛機以超音速飛行時引發(fā)的音爆。這個過程會釋放微弱的射線（即契倫科夫輻射），海底布置的傳感器恰好能探測到這些信號，研究人員以此就能確定中微子的能量和運動方向。

在許多中微子天文望遠鏡中，“KM3NeT是獨一無二的。特別值得說明的是，由于尺寸巨大，它能以迄今為止最高的分辨率探測來自南半球天空的中微子，包括中微子的能量和方向?！睖靥卣f。

這套設備在法國境內的工程計劃于2024年完工，可用于探測宇宙射線與地球大氣層相互作用時產生的低能量中微子。當這些粒子穿過地球時，能夠以類似X射線的方式提供地球內部的一些信息。在意大利境內的工程計劃于2026年完工，將用于探測離我們很遠的宇宙中微子，這類中微子主要是由恒星死亡或高密度暗能量相互碰撞時釋放的。

有趣的是，這些望遠鏡朝海底方向探測時最清晰，因為地球恰好充當擋箭牌，過濾掉了那些源源不斷轟擊地球的宇宙輻射，以及其中的背景粒子。中微子是目前已知唯一可以穿透地球的粒子。

撰文：達南杰·卡迪爾卡（Dhananjay Khadilkar）

翻譯：張哲

文章來源：環(huán)球科學

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