地球如何阻止高能中微子进入它们的轨道

有史以来第一次，一项科学实验测量了地球吸收中微子的能力 - 这是一种小于原子的粒子，它以几乎光速的速度每秒以数万亿的速度在整个太空中穿过。该实验是通过IceCube探测器实现的，该探测器由5,160个篮球大小的传感器组成，这些传感器在南极附近非常清澈的冰块内深处冻结。

这一成就很重要，因为它首次表明，非常高能量的中微子可以被某种东西吸收 - 在这种情况下，就是地球，”宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学与天体物理学教授Doug Cowen说。 。2013年，IceCube首次发现了极高能量中微子，但关于任何一种物质是否能够真正阻止中微子穿越太空的旅程仍然是一个谜。“我们知道低能中微子几乎可以穿过任何东西，”考恩说，“但是虽然我们曾预计高能中微子会有所不同，但之前的实验都没有能够令人信服地证明高能中微子可以通过任何事情“。

Nature论文中的结果基于来自大约10,800个中微子相关相互作用的一年数据。Cowen和Tyler Anderson是宾夕法尼亚州立大学物理学助理研究教授，他们是IceCube合作的成员。他们是Nature论文的共同作者，他们帮助建立了IceCube探测器并为其维护和管理做出了贡献。

使用IceCube的这一新发现是我们对宇宙如何运作的深入理解的一个令人兴奋的补充。对于那些希望实验能够揭示当前粒子物理标准模型无法解释的实验的人来说，这也有点令人失望。“这项冰立方研究的结果完全符合粒子物理学的标准模型 - 过去半个世纪以来所描述的宇宙中除了重力之外的所有物理力量的统治理论，”考恩说。

中微子最初是在宇宙开始时形成的，它们继续由整个太空中的恒星和地球上的核反应堆产生。“理解中微子如何相互作用是IceCube运作的关键，”IceCube中微子天文台和威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授的首席研究员Francis Halzen解释说。“我们当然希望出现一些新的物理学，但不幸的是我们发现标准模型像往常一样经得起考验，”Halzen说。

IceCube的传感器并不直接观察中微子，而是测量蓝光的闪光，称为Cherenkov辐射，在一系列相互作用后发射，这些相互作用涉及中微子与冰相互作用时产生的快速移动的带电粒子。通过测量探测器阵列中或附近的这些相互作用的光图案，IceCube可以估算出中微子的能量和行进方向。科学家发现，必须穿越地球最远的中微子不太可能到达探测器。

为这项研究选择的大多数中微子的能量比太阳或核电站等更熟悉的中子产生的中微子的能量高出一百多万倍。该分析还包括少量的天体物理中微子，这些中微子是在地球大气层外产生的，来自迄今未确定的宇宙加速器，可能与超大质量黑洞有关。

加拿大阿尔伯塔大学物理学教授，宾夕法尼亚州立大学博士后学者IceCube Collaboration的发言人达伦格兰特说：“中微子在他们的行为方面有着令人惊讶的声誉。” “看到第一次测量以及它对未来精密测试的潜力非常令人兴奋。”

除了提供地球吸收中微子的第一次测量之外，分析还表明，IceCube的科学范围超越了其核心关注粒子物理学发现和中微子天文学的新兴领域，进入了行星科学和核物理领域。对于想要利用中微子对地球内部进行成像以探索地球内部固体核心与其液体外核之间的边界的地球物理学家来说，这种分析也很有意义。

“IceCube的建立是为了探索物理学的前沿，并且在这样做的过程中，可能会挑战对宇宙本质的现有看法。这一新发现以及未来的其他发现都在于科学发现，”项目总监詹姆斯惠特莫尔说。在国家科学基金会的物理部门。物理学家现在希望使用来自完整的86弦IceCube阵列的数据的扩展的多年分析来重复该研究，并且针对超出标准模型的任何新物理提示，观察更高范围的中微子能量。