中微子探測開啟中微子天文學(xué)的時代，2013年是中微子天文學(xué)的“元年”，以埋植在南極洲冰層的探測器為工具，天體物理學(xué)家成功地探測到了宇宙中微子，不同尋常的神秘中微子從太陽系外的宇宙發(fā)出，以光速漂移到了地球，飛奔的中微子撞擊了地球表面，撞擊能量好似一名棒球手投擲球的威力。對宇宙中微子的成功探測奠定了后續(xù)研究的基礎(chǔ)，為了盡快了解高能中微子的真實來源，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)教授格雷戈里·沙利文帶領(lǐng)了一支12人的科學(xué)團隊，以南極洲的“冰立方”望遠鏡為平臺，他們收集和分析了不同來源的中微子信號。

“冰立方”項目的國際合作召集人沙利文認(rèn)為，科學(xué)界迎來了“中微子天文學(xué)”時代，科學(xué)團隊宣布了震撼性的發(fā)現(xiàn)，他們觀測了28個高能量中微子的事件，觀測數(shù)據(jù)充分證明了天體物理學(xué)概念的中微子的實在性，中微子來自太陽系外的宇宙深處，通過分析“冰立方”的中微子信號，團隊成員對距離地球幾百萬年到幾十億光年的天體物理現(xiàn)象有所了解，從中微子層面研究了天體的性質(zhì)。人們對中微子的來源和獲得加速度的方式一直感到迷惑不解，在100多年的思索中沒有找到理想的觀測手段?？蒲腥藛T為解開中微子的神秘性研制了先進的儀器，建立了南極“冰立方”實驗室，從中尋找天體物理學(xué)意義的中微子?！氨⒎健比缙诮ǔ桑\行順利，運行管理團隊期待“冰立方”能夠持續(xù)運行20年，收集中微子探測的更多數(shù)據(jù)。

《科學(xué)》雜志近期發(fā)表了科學(xué)團隊的階段性成果，“冰立方”埋植在南極1立方公里的冰層，中微子觀測站第一次發(fā)現(xiàn)了宇宙中微子，科學(xué)團隊的主要成員、威斯康辛—麥迪遜大學(xué)的物理學(xué)教授弗朗西斯·赫爾岑解釋說，第一次獲取的檢測數(shù)據(jù)說明高能中微子來源于太陽系外。長期以來，一直搜索中微子的科學(xué)家終于在南極發(fā)現(xiàn)了它們的蹤跡，“中微子天文學(xué)”時代的到來令他們感到格外驚喜，科學(xué)團隊的成員、馬里蘭大學(xué)的助理教授卡拉·霍夫曼解釋說，中微子是宇宙成分的基本模塊之一，在人們談話的不經(jīng)意之間，每秒數(shù)十億個中微子輕輕松松地穿越了他們的身體。能量極高的中微子似乎沒有受到磁場的影響，在高速運動中保持了它們的方向和速度，絕大部分的中微子起源于太陽或地面以上的大氣層，有些罕見的中微子來源于太陽系以外的星系。

人們從天體物理學(xué)的意義尋找中微子的起源，太陽系外的中微子來源于宇宙星系，但科學(xué)家沒能給出明確的答案，只是猜測了諸如：伽瑪射線暴、活動星系核和黑洞是中微子的潛在來源地。中微子在粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)和天文學(xué)的研究領(lǐng)域十分重要，科學(xué)家努力探尋了50多年，研發(fā)了收集和分析高能中微子信號的探測器。“冰立方”科學(xué)項目有兩個主要的目標(biāo)，一是檢測高能中微子的流量或比率，二是確定中微子的來源。國際合作團隊由250多位物理學(xué)家和工程師組成，負(fù)責(zé)中微子觀測站或中微子天文臺的建立和運行，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家是”冰立方“項目的主要合作方，從2002年開始，項目經(jīng)過了獨特的設(shè)計和建造。

“冰立方”實驗室由160個數(shù)字化的光學(xué)器件組成，這些光學(xué)器件被懸置在86根弦棒上，所有弦棒嵌入到了南極冰層。冰立方觀測站的成員通過微小的綠色閃亮發(fā)現(xiàn)中微子的蹤跡，閃射的綠光被稱為切倫科夫光輻射，“從天而降”的中微子和南極冰層產(chǎn)生了相互作用，冰立方實驗室的計算機實時收集光傳感器的信號，通過衛(wèi)星向北發(fā)送有意義的光信息。馬里蘭大學(xué)的科研人員設(shè)計了“冰立方”數(shù)據(jù)收集和分析的軟件系統(tǒng)，冰立方項目的設(shè)計和建造花費了10年，2011年，“冰立方”完成了首次的數(shù)據(jù)采集?？茖W(xué)界對冰立方項目的管理和運行給以了很高的評價，獨特的探測器被埋植在南極深層的冰體，它的奇異功能是能夠捕獲北部和南部天空的中微子，這些中微子來源于宇宙深處，穿越了十分遙遠的距離，在地球表面探知中微子的行蹤，科學(xué)的奇跡令人興奮。

2012年4月，“冰立方”探測了兩個高能粒子事件，粒子能量超過了1PeV，科學(xué)團隊將兩個高能粒子取名為伯特和歐尼，第一次在南極探測器記錄了天文來客的中微子?？茖W(xué)團隊在發(fā)現(xiàn)伯特和歐尼之后查閱了從2010年5月到2012年5月的檢測記錄，從能量稍低的粒子中發(fā)現(xiàn)了26個高能粒子事件，它們的能量在30TeV以上，從能量指標(biāo)可以判斷，這些中微子起源于太陽系外。2013年5月15日，在華盛頓大學(xué)的麥迪遜校區(qū)召開了“冰立方”粒子物理學(xué)研討會，馬里蘭大學(xué)的科學(xué)團隊在會上發(fā)表了成果，中微子信號的頻率高于4個西格瑪，“冰立方”的發(fā)現(xiàn)滿足了統(tǒng)計學(xué)的要求，科學(xué)團隊確實探測到了地球外的高能中微子。

冰立方實驗室的計算機以實時方式收集原始的數(shù)據(jù)，傳出數(shù)據(jù)的探測器被埋植在南極深部的冰層，物理事件的數(shù)據(jù)經(jīng)過了篩選，通過衛(wèi)星向北方傳送到使用者的電腦端，冰立方的合作成員、馬里蘭大學(xué)的科學(xué)團隊設(shè)計了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。從遙遠的宇宙深處傳來了中微子，它們似乎沒有受到外在因素的阻擾，沿著直線以光速運動，中微子的直線特征可以作為“路線圖”的指南，確定它們的來源地，找到了最初出發(fā)地的星系。到目前為止，科學(xué)家記錄了28個中微子事件，數(shù)量不足，難以揭示中微子的來源。獲得更多的觀測數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，“冰立方”的科學(xué)團隊將會繼續(xù)搜索，耐心地等待持續(xù)曝光時間長的照片，多的中微子事件意味著多的曝光點，曝光點被填充到照片上，通過更多的中微子觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)團隊可以揭示它們“遠方的家”。

冰立方的合作方將電纜的一端連接到埋植在冰面下的光傳感器，將電纜的另一端連接到冰立方實驗室的服務(wù)器。探測中微子的其它手段也在緊鑼密鼓地實施，科學(xué)家建造了阿斯卡瑞安無線電陳列，這是一種地面中微子天文望遠鏡，無線電頻率穿透了十分寒冷的冰層，以探測中微子的信號。馬里蘭大學(xué)的霍夫曼團隊計劃將37個無線電天線植入南極冰層，構(gòu)成一個無線電傳輸?shù)募骸！氨⒎健敝形⒆佑^測臺得到了美國科學(xué)基金會的資助，國際合作伙伴的科學(xué)基金機構(gòu)給以了資金支持，美國科學(xué)基金會的極地項目和物理學(xué)分會為“冰立方”項目的日常運行和維護支出了費用，冰立方的國際合作伙伴從各自的機構(gòu)和基金會得到了一部分運行和維護的費用。

馬里蘭大學(xué)是冰立方國際合作項目的主要召集方，沙利文和霍夫曼教授負(fù)責(zé)指導(dǎo)馬里蘭大學(xué)的教師和科研人員，有些在校的研究生參加了冰立方項目的設(shè)計、建造和運營管理。（《科學(xué)》雜志在封面上發(fā)布了冰立方實驗的圖片，紅顏色的分布為早期的事件信息，綠色的分布為晚期的事件信息。中微子和南極洲冰立方探測器產(chǎn)生了相互作用。在2011年7月14日的物理事件中，從光傳感器傳出的中微子的能量為250TeV?？茖W(xué)團隊找到了第一批高能中微子活動的證據(jù)，這些中微子是天體物理學(xué)意義的基本粒子。

（編譯：2021-11-29）