探索宇宙奧秘 · 理性思考

想象一下，在南極2.5公里厚的冰層之下，一個(gè)邊長一公里的巨型立方體正在凝視宇宙。它不捕捉星光，而是搜尋比光子更 elusive 的"幽靈"——中微子。2026年初，這個(gè)名為IceCube的觀測(cè)站剛剛完成關(guān)鍵升級(jí)?？茖W(xué)家們?cè)诒鶎又兄踩肓?50只嶄新的"眼睛"，還首次戴上了能看穿紫外線的特殊"眼鏡"。

中微子是宇宙中最難捉摸的基本粒子。它幾乎不與物質(zhì)相互作用，每秒有數(shù)萬億個(gè)穿過你的身體，你卻毫無知覺。要捕捉這種"幽靈粒子"，物理學(xué)家需要極其巨大的探測(cè)體積。

IceCube選擇南極冰層作為天然介質(zhì)?？茖W(xué)家在冰層中埋設(shè)了86串傳感器，構(gòu)成一個(gè)體積達(dá)1立方公里的三維網(wǎng)格。5000多個(gè)數(shù)字光學(xué)模塊分布在冰層中，靜靜等待中微子與冰分子相撞時(shí)產(chǎn)生的微弱藍(lán)光。

自2010年運(yùn)行以來，它已經(jīng)多次捕捉到來自遙遠(yuǎn)星系的高能中微子。2017年，IceCube首次將這種粒子追溯到遙遠(yuǎn)星系中心的超大質(zhì)量黑洞。這次升級(jí)將幫助我們捕獲更多此類信號(hào)。

這次升級(jí)新增了6串傳感器，帶來650多個(gè)現(xiàn)代光電探測(cè)器。更重要的是，團(tuán)隊(duì)首次部署了9個(gè)波長轉(zhuǎn)換光學(xué)模塊（WOMs）。

這些模塊涂有特殊材料，能將紫外光轉(zhuǎn)換為可見光。中微子與冰相互作用時(shí)產(chǎn)生的切倫科夫光富含紫外成分，但傳統(tǒng)傳感器對(duì)此不敏感。過去，這部分光信號(hào)直接流失在冰層中。

WOMs就像給望遠(yuǎn)鏡配上了紫外線眼鏡，大幅提升了光收集效率。美因茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)了這項(xiàng)創(chuàng)新。博士生Lea Schlickmann親自前往南極，完成了這些模塊的最終測(cè)試和安裝。

新傳感器的部署密度更高，這讓IceCube能探測(cè)到此前無法觸及的低能中微子。超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子能量較低，但攜帶恒星死亡的關(guān)鍵信息。

這種數(shù)據(jù)再利用極大提升了實(shí)驗(yàn)的性價(jià)比。科學(xué)家無需等待新粒子到來，就能從舊數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新物理。

在全球中微子研究版圖中，中國并非旁觀者。我們的大亞灣實(shí)驗(yàn)曾精確測(cè)量中微子混合角θ13，該成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。目前，江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）正在建設(shè)，它將是全球能量精度最高的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)。

在宇宙線領(lǐng)域，位于四川稻城的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）已多次探測(cè)到超高能伽馬射線。西藏ASγ實(shí)驗(yàn)也在同步觀測(cè)宇宙線。

雖然IceCube位于南極，但中國高校通過國際合作參與了相關(guān)分析工作。我們?cè)跇O端天體物理觀測(cè)領(lǐng)域的布局正日趨完善。從地下700米的江門到海拔4400米的稻城，中國正構(gòu)建多層次的中微子探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

IceCube的升級(jí)提醒我們，基礎(chǔ)科學(xué)仍在不斷進(jìn)化。通過改進(jìn)探測(cè)器技術(shù)，我們不僅能看到新的物理現(xiàn)象，還能從舊數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新線索。當(dāng)WOMs首次在南極冰層中捕捉到紫外光子，人類對(duì)宇宙的理解又向前邁進(jìn)了一步。