科學也可以如此靠近

極地多維數據集 座落在南極上方的光電探測器陣列

3月
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2018

2018年3月19日20時 今日科學 科技大偵探

科技大偵探

中微子是最豐富的粒子之一,每秒鐘都有數萬億次通過。但是它們很難掌握,所以我們無法控制它們的線路或加速它們。它們也幾乎沒有質量,幾乎不與其他物質相互作用,所以很難察覺。所有這些都意味著我們的物理理論對中微子的許多預言都是難以測試的。

圖片來自網絡

位於南極的IceCube探測器現在已經掌握了物理學標準設備的一部分數據,該設備描述了基本粒子的特性及其相互作用。根據數據表明,隨著中微子能量的增加,中微子應該更容易與其他粒子相互作用。為了驗證這一點,IceCube團隊使用的粒子加速器能夠製造中微子成千上萬倍的目標。

IceCube由埋在南極冰下的數百個探測器組成。這些探測器拾起在冰上移動的粒子。在某些情況下,IceCube可能會檢測到一些粒子和光子的飛濺,當某些物體撞入冰中的一個原子時。在其他情況下粒子只是推動原子,釋放一些光子。雖然沒有中微子來源指向IceCube。相反它依賴於中微子的自然來源。其中有些是在太空中產生的,而且是地球之外。其他的則是由於宇宙射線撞擊大氣而產生的。

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在這兩種情況下,與我們的粒子加速器可以做的最好的能量相比,它們的能量可以是巨大的。對於這項新的研究工作,其中數據包括能量高達980兆電子伏特的中微子。相比之下,大型強子對撞機加速其質子只有6.5TeV ,而且只有較小的加速器被用來產生中微子。

由於這些巨大的能量,IceCube很適合預測,中微子更容易與高能物質相互作用。(物理學家把相互作用的機率稱為「截面」。)雖然我們用一些粒子加速器產生的中微子對它進行了測試,但這些測試只覆蓋了譜線低端的一個窄範圍的能量。雖然這些測試與標準模型一致,但所涉及的能量從來沒有足夠高的橫截面改變。

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然而,如果IceCube只依賴與探測器內物質相互作用的中微子,那麼需要幾年的時間來建立足夠的碰撞才能進行測試。相反,IceCube團隊使用了整個地球區域。它能夠探測通過探測器時所經過的路徑。所以這個團隊能夠通過進入側面來識別通過探測器的中微子。這些中微子會在南極切線地切入地球,所以很少有物質相互作用。

團隊將相切的中微子與通過地球以不同角度出現的中微子進行了比較。這些與從下面到達的粒子進行比較,因此在途中通過地球。在低能量的情況下,中微子的相互作用是非常罕見的,這一點沒什麼區別。然而,在足夠高的能量下,地球所產生的應該提供相互作用頻率的測試。

正如所預測的那樣,通過地球到達的中微子數量與切向方向的中微子數量相比下降了。他們的頻率進一步下降,作為能源的產物。雖然還有更多的中微子到達比標準模型預測的更多,實驗的不確定性很大,結果是完全符合我們的理論。

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在這裡所涉及的能量範圍內,隨著能量的增加,相互作用的增加呈線性增長。但數據中有一點曲線。這是所期望的,因為中微子通過稱為W和Z玻色子的兩個粒子與常規物質相互作用。它們的質量與線性關係稍有偏差。我們需要更多的數據才能真正知道,但是新的分析只能從IceCube獲得一年的數據才能完成,而且我們還需要六年的時間才能完成。所以期待儘快聽到更多。

能量範圍的高端在980TeV,簡單地說事實上在能量以上的中微子很少。再次有了更多的數據以後,我們應該能夠進一步擴展這一分析。這是相當重要的,但是因為有一些假設的想法就是額外的維度,未被發現的粒子稱為leptoquarks ,這些都是要求高能量的相互作用的速度急劇增加。所以可能會關閉測試其中的一些想法。

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同時,IceCube團隊也一直在和地質學家溝通交流。在一個宣布他們的結果的視頻中,他們注意到通過地球的一些中微子將穿過核心,而其他的中微子將通過曲線形而避開它。而且有了足夠的數據,這將使我們能夠了解地球核心的物質屬性,這是難以取樣的東西。

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