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IceCube观测站宣布中微子测量结果:支持标准模型理论

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火星 发表于 2017-12-1 11:06:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
  新浪科技讯 北京时间11月27日消息,据国外媒体报道,如果想要真正理解我们所处的宇宙如何运作,就需要对许多不同的物理量进行测量。然而,测量正是科学中最困难的任务之一。比如,科学家如何测量那些看不见的、能直接穿过固体物质的微观粒子?为了解决诸如此类的问题,科学家想出了许多令人惊叹的方法,将不可能变成了可能,并验证了许多在物理理论中已经预料到的现象。
  近日,IceCube联合观测站的科学家宣布了一项相对深奥,却又非常基础的粒子物理学测量结果:中微子在最高能量状态时与其他粒子相互作用的频率。测量的结果与物理学理论相吻合。测量过程需要用到一台特殊的望远镜——埋在南极冰盖下1立方千米范围内的IceCube探测器。该探测器指向地球深处,可以用来测量来自地球另一端的粒子特征。
  “你身处一片荒芜之中,温度在零下20到40度,海拔高度是一万英尺(约合3000米)左右,”论文作者之一、美国劳伦斯伯克利国家实验室的斯潘塞·克莱因(Spencer Klein)说,“除了真的特别冷之外,呼吸也很困难……你要待在观测站里,那里设备先进又很舒适,就像太空飞船一样。”
  你可能还记得原子可以再细分为亚原子粒子,如质子、中子和电子,而宇宙中还存在另一种被称为中微子的粒子,它们几乎不与常规物质相互作用,能轻松地穿过地球。不过,在穿越过程中,它们的速度还是会稍微减慢。物理学家希望测量出中微子与地球物质原子相互作用的频率。这有点像当一个幽灵穿过人群时,测量人们被吓到的概率,以及这种吓唬人的举动是否会让幽灵筋疲力尽。在这项研究中,科学家想要测量的是具有最高能量的中微子,它们的能量要远高于粒子物理学实验设备(比如大型强子对撞机)中出现的任何粒子。
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  IceCube探测器是世界上最大的中微子探测器,位于南极点附近,拥有5160个探测器,能向上和向下探测高能中微子。
  来自太空的高能中微子穿过地球后,到达南极冰层下具有5160个光学感受器的IceCube探测器。在那里,中微子可能会与冰层中的原子相互作用,释放出μ子(muon)。这些μ子会发出一道蓝光,从而能被光学感受器探测到。科学家比较了从地球另一端穿过来的中微子(必须与大量原子相互作用)和来自水平方向的中微子(几乎没有与地球物质发生相互作用)的轨迹,计算出了中微子的作用横截面。
  测量结果并没有出乎物理学家的预料,而是与主流的粒子物理学理论——标准模型——的预测相吻合。不过,这次测量本身就具有非常重要的意义,因为它排除了一些比较古怪的理论,也证明了标准模型是一个相当不错的理论。
  “这项研究依然很令人不可思议,”MINERvA实验发言人黛布拉·哈里斯(Deborah Harris)说道。实际上,标准模型理论也能适用于那些能量比模型设定时高了1000倍的粒子。其他一些实验项目也将很快加入IceCube的行列,共同搜寻高能中微子和来自太空的中微子,比如布置在地中海的KM3NeT中微子望远镜。
  对于IceCube探测器的测量结果,KM3NeT实验团队也感到很振奋,并且很高兴研究结果能发表在著名的《自然》(Nature)杂志上。“当你拥有这样一台仪器时,这是能取得的最美好的结果之一,”KM3NeT实验团队的代理发言人Aart Heijboer说,“虽然建立这些探测器的目的是利用中微子观测天体,但你也可以用它们来研究粒子物理学。”
  此外,尽管分析工作大部分是在大学里完成的,但还需要一类特殊的科学家在南极负责探测器的运行,“这些人,即使犯了错误,他们也对寻找真相充满动力,”《冰雪中的望远镜》(The Telescope in the Ice)一书作者马克·鲍恩(Mark Bowen)说,“他们必须直接注视真实的情况,确保不被欺骗……当你尝试寻找真相时,你会有很不可思议的发现。”
  研究人员将继续完善测量方法,他们的这篇论文也只涉及大约1万个高能中微子。中微子与物质原子相互作用时发生了什么?以及穿过地球的中微子来自太空中什么地方?这些都是研究人员希望解答的问题。
  在IceCube观测站,最令工作人员感到兴奋的是这样一台中微子望远镜所能达到的成就。“这表明我们利用IceCube和其他实验,加上天然产生的中微子,就能完成众多有趣的物理工作,”克莱因说,“在某种程度上,因为能量的原因,它们能做到的要超过你在加速器所能得到的。”(任天)
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