冰立方中微子天文台

编辑:眼睛网互动百科 时间:2019-11-17 19:20:20
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南极冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory,简称为“冰立方”IceCube)是由美国国家自然科学基金会资助的,由86根装备了传感器的电缆所组成,这些电缆一头连在地表实验室中,另一头从冰洞向下延伸至2.5公里的深度。该天文台耗资2.79亿美元,是同类天文台中最大的一座,它的使命是去搜寻可以穿透几乎所有物质的神秘亚原子微粒——中微子。[1] 
中文名
冰立方中微子天文台
外文名
IceCube Neutrino Observatory
简    称
冰立方
资助机构
美国国家自然科学基金会

冰立方中微子天文台项目背景

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在过去的10年(2000—2010年)间,世界上的科学家们一直在奋力设计并建造一个雄心勃勃的实验装置,以便搞清楚是何种机制产生了宇宙射线,以及一种名为中微子的基本粒子,这种粒子难以捉摸,却到处存在。
2010年10月中旬,在布鲁塞尔召开的一次会议上,科学家们提出了一个设想,即建立一个覆盖数百英里的探测设备阵列,在冰下普遍放置无线电波探测器,然后研究人员则通过监听无线电波的变化来判断中微子撞击事件的发生。高度敏感的麦克风也可以被用来监听冰层中撞击事件产生的独特声响。
此项大型国际合作项目由美国威斯康星大学麦迪逊分校领导,目前(2010年10月)参与研究的科学家们正在想办法扩大实验的规模。
千米级中微子天文台冰立方示意图 千米级中微子天文台冰立方示意图

冰立方中微子天文台建立过程

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2010年10月,据国外媒体报道,科学家们正在努力在南极建设一个被称为“冰立方”(ICECUBE)的中微子天文台,以揭示出来自外太空并不断轰击地球的宇宙射线及粒子的“来源”,解开 科学家们研究了十多年的“宇宙射线来源”之谜。
尽管这台耗资2.71亿美元,被科学家们称作“冰立方”(ICECUBE)的中微子天文台尚未建成,其最后一批探测器计划2010年12月份才会安装到位,但是对其探测数据的分析已经迫不及待地开始了。
南极是进行此项研究的最佳场所,因为这里的冰雪异常纯净,几乎完全不含气泡和其他可能影响探测结果精确性的干扰。这是上覆巨厚冰雪层压力的结果,由于设施位于地下1.2英里(1900米)处,上面覆盖的冰雪层很厚。
到最终建成时,科学家们计划在这里安装超过5000台光学探测设备,覆盖大约1立方公里的冰雪层。
南极建造“冰立方” 南极建造“冰立方”

冰立方中微子天文台探测原理

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宇宙射线是一种以接近光速运行的高能量粒子流,它们进入地球大气层后与空气中的原子发生碰撞,产生电荷进而引发闪电雷暴现象。宇宙射线中的高能粒子轰击其他物质的原子时,将会产生辐射和中微子,而中微子是宇宙中除光子之外最多的粒子。但它们不带电荷且几乎没有质量,以致于它们可以穿过岩石、金属,甚至人体,因此很难探测到中微子。在极少情况下,中微子会撞到原子,然后产生一种被称为μ子的粒子以及一种蓝光闪烁,“冰立方”中微子天文台的探测器就可以捕获这闪烁。

冰立方中微子天文台主要作用

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“冰立方”包括了数千台深埋于地下的探测器,当这些能够自由穿越于星系之中、且能量很高的宇宙射线及粒子与南极冰雪中的原子发生碰撞时,将会产生稍纵即逝的蓝光闪烁,此时极度敏感的探测器便可记录下这些闪光。然后探测器会通过对撞击而生的关于闪光特征的记录,锁定这些闪光的运行路径,从而帮助科学家揭示出它们来自银河系中的具体方位。
科学家们现在希望当这台设备最终建成之后将帮助他们确定到底是何种机制生成了这些自由穿越于星系之中的高能宇宙射线以及中微子。
此外,科学家预料这种和中微子的碰撞事件发生概率极低,可能每年只会出现几次,但是自从2006年第一台探测器被埋入地下以来,他们已经探测到了若干次这样的撞击事件[1] 

冰立方中微子天文台高效识别

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在冰立方(南极冰立方中微子天文台)工作的物理学家正在努力理解高能宇宙射线——从宇宙中飞来并轰击地球的带电粒子起源,他们认为,这或许与上述中微子的起源有关。“基本上,任何你能想到可以产生宇宙射线的物体,都能同时产生中微子。” Whitehorn说,与宇宙射线轰击大气层时局部产生的中微子不同,天体物理学的中微子或许是和宇宙射线同时、由同一物体所产生的。 冰立方中微子天文台利用一张特制的“网”来捕捉著名的中微子—— 一种很少与物体原子相互作用的轻量级基本粒子——的滑行过程。冰立方由5000多个埋在南极冰下2公里的光线传感器组成,其所涉及的南极冰体足以填满几十万个奥林匹克游泳池。在这么大的体积中,来自宇宙的中微子穿过太空、穿过人体甚至是岩石,偶尔会撞上冰中的原子,从而发出微弱的闪光。而这种闪光的特性,例如光的式样(存在斑点还是存在条纹)、粒子运动的方向(是从天空中向下运动,还是向上穿过地球)等,都能够揭示中微子的三个基本属性及其来源。中微子研究有一个关键优势——其他带电宇宙射线运动的轨迹因受到磁场的影响,都是弯曲缠绕的,而中微子则可不受这些因素影响,其运动轨迹为直线,也就是说,沿着其运动轨迹回溯,即可找到它们的来源。 根据已知的理论,在过去的两年中,研究者们已经识别了能量从数十兆到数百兆电子伏不等的10.6种粒子。而4月宣布发现的28种新粒子,包括两种非常高能的粒子,意味着科学家发现了中微子的新的来源。[1] 
参考资料
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