探索宇宙奧秘 · 理性思考

它們每秒穿過(guò)你的身體，卻幾乎不留下任何痕跡。這些被稱為"幽靈粒子"的中微子，攜帶著宇宙最極端環(huán)境的秘密。2025年12月20日，一個(gè)重達(dá)數(shù)噸的精密儀器乘著NASA巨型氣球升入南極上空。它在12萬(wàn)英尺的高度盤旋23天，將整個(gè)南極冰原當(dāng)作接收天線，搜尋一種人類從未捕獲過(guò)的宇宙信使——能量遠(yuǎn)超歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能產(chǎn)生的超高能中微子。

中微子與物質(zhì)的相互作用極其微弱。每一秒，數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的中微子穿透你的身體，而你毫無(wú)察覺(jué)?？茖W(xué)家早已習(xí)慣在水下建造巨大水箱（如日本的超級(jí)神岡探測(cè)器）或在南極冰層深處嵌入傳感器（如冰立方探測(cè)器）來(lái)捕捉它們的蹤跡。

PUEO任務(wù)采用了截然不同的思路。芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用了一個(gè)基本物理特性：純凈的冰對(duì)無(wú)線電波異常透明。當(dāng)能量極高的中微子撞擊冰層中的原子，碰撞會(huì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，并釋放出微弱的射電脈沖。這些信號(hào)能夠穿透數(shù)公里厚的冰層，直達(dá)高空。

團(tuán)隊(duì)在南極洲上空部署了一個(gè)由96個(gè)超靈敏射電天線組成的同心圓陣列。這個(gè)裝置懸浮在3.6萬(wàn)米高空，單次掃描可覆蓋近60萬(wàn)平方公里的冰面。換句話說(shuō)，整個(gè)南極大陸成為了一塊巨大的探測(cè)介質(zhì)。這種"大氣層邊緣+冰層"的混合探測(cè)模式，讓PUEO能夠捕捉到能量超過(guò)10的18次方電子伏特的粒子——這比人工加速器產(chǎn)生的粒子能量高出數(shù)百萬(wàn)倍。

PUEO并非首個(gè)嘗試此類觀測(cè)的設(shè)備。它的前身ANITA（南極脈沖瞬態(tài)天線實(shí)驗(yàn)）由夏威夷大學(xué)主導(dǎo)，此前已進(jìn)行多次飛行。但PUEO代表了技術(shù)的代際躍升。

關(guān)鍵突破在于實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)。PUEO的"大腦"能夠在飛行中即時(shí)合成多個(gè)天線的信號(hào)，從背景噪聲中提取出極其微弱的潛在中微子信號(hào)。這得益于過(guò)去五年電子學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及全球六個(gè)美國(guó)本土機(jī)構(gòu)、歐洲和亞洲實(shí)驗(yàn)室的協(xié)同攻關(guān)。

與ANITA相比，PUEO的靈敏度顯著提升。它不僅能探測(cè)更高能級(jí)的粒子，還能識(shí)別更微弱的射電印記。任務(wù)負(fù)責(zé)人、芝加哥大學(xué)阿比蓋爾·維埃雷格教授指出，即使最終未能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)粒子，這些數(shù)據(jù)也將揭示宇宙高能區(qū)域的工作機(jī)制——特別是黑洞吸積盤或中子星碰撞產(chǎn)生宇宙線的物理過(guò)程。

將如此精密的儀器送上氣球本身就是一場(chǎng)與風(fēng)險(xiǎn)的博弈。南極的極渦風(fēng)帶提供了氣球環(huán)球飛行的理想條件，但發(fā)射窗口極其苛刻。氣象學(xué)家需要確保從地面到近太空的大氣層保持穩(wěn)定，因?yàn)?00英尺長(zhǎng)的氣球-載荷組合體無(wú)法承受強(qiáng)烈的風(fēng)切變。

2025年12月20日凌晨6點(diǎn)，代號(hào)為"The Boss"的發(fā)射車將PUEO運(yùn)抵發(fā)射場(chǎng)。氣球升空后，地面團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)程指令展開太陽(yáng)能電池板。然而挑戰(zhàn)接踵而至：載荷旋轉(zhuǎn)速度低于預(yù)期，導(dǎo)致一側(cè)持續(xù)面向太陽(yáng)，溫度急劇上升?？茖W(xué)家不得不輪班監(jiān)控，防止電子設(shè)備過(guò)熱損壞。

23天后，團(tuán)隊(duì)指令切斷連接線。降落傘展開，PUEO在距南極點(diǎn)約200英里的冰原上著陸?；厥招〗M取回了裝有50至60TB數(shù)據(jù)的"黑匣子"。這些數(shù)據(jù)量如此龐大，科學(xué)家預(yù)計(jì)僅初步處理就需要一個(gè)月時(shí)間。 首批結(jié)果預(yù)計(jì)一年后公布。

當(dāng)PUEO在南極搜尋超高能中微子時(shí)，中國(guó)在該領(lǐng)域也構(gòu)建了獨(dú)特的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)于2012年首次精確測(cè)量了中微子混合角θ13，該裝置現(xiàn)已退役。接棒的江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）位于廣東開平，距陽(yáng)江和臺(tái)山核電站53公里。這個(gè)裝有2萬(wàn)噸液體閃爍體的地下球體預(yù)計(jì)2025年開始運(yùn)行，核心任務(wù)是確定中微子的質(zhì)量順序。

在高能宇宙線領(lǐng)域，位于四川稻城海拔4410米的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）自2021年運(yùn)行以來(lái)，已多次發(fā)現(xiàn)PeV（拍電子伏特）級(jí)別的伽馬射線源，證明銀河系內(nèi)存在超高能粒子加速器。西藏羊八井的ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)和阿里計(jì)劃也構(gòu)成了覆蓋不同能區(qū)的觀測(cè)體系。

與PUEO的射電探測(cè)+氣球平臺(tái)路線不同，中國(guó)目前主要依托地面大規(guī)模陣列和液體閃爍體探測(cè)器。這種技術(shù)路徑差異反映了不同的科學(xué)目標(biāo)：PUEO專注極端高能中微子，而JUNO和LHAASO側(cè)重質(zhì)量本征態(tài)和宇宙線加速機(jī)制。中國(guó)南極科考站（長(zhǎng)城、中山、昆侖、泰山、秦嶺）已具備開展類似氣球任務(wù)的物流能力，但尚未部署同類型高能中微子探測(cè)項(xiàng)目。未來(lái)，結(jié)合中國(guó)日益成熟的浮空器技術(shù)與南極科考基礎(chǔ)設(shè)施，或許將出現(xiàn)具有中國(guó)特色的"冰-空協(xié)同"探測(cè)方案。

數(shù)據(jù)分析工作已在芝加哥展開。那50TB數(shù)據(jù)磁盤中，或許就藏著來(lái)自遙遠(yuǎn)星系中心的、能量空前的粒子信號(hào)。而無(wú)論結(jié)果如何，人類對(duì)宇宙極端邊緣的認(rèn)知邊界，已經(jīng)因這23天的南極飛行而再次拓展。