在南极寻找中微子

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要是这辈子没机会去一趟外星球，南极可能是最接近我(原文作者，下同)理想中的纯净世界了。在这里随便向哪个方向走出南极科考站的建筑几百米，包围你的就是一片缺乏特征的冰雪平原，好像几百公里内除了自己就没有超越病毒和细菌的存在。因为雪会不会产生回声，这里一切都静谧得充满哲学气氛。在这种环境下，人很容易陷入回忆与遐想中，思绪飞到很远。但是很快你又会回过神来，意识到自己身负重任来到这里是要为世界上最奇怪的望远镜工作，寻找自然界里更奇怪的亚原子粒子。

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每一分每一秒钟，地球的大气都要迎受每平米超过10000个高速宇宙粒子的冲击——大部分是散碎的质子与原子核——他们中的一些带有超过最先进加速器中获得的高能质子一百万倍的能量。幸运的是，大气层阻挡和吸收了他们中的绝大部分，但是仍有部分高能粒子每时每刻穿越过你我的身体，大气层越薄的地方这一效应就越明显，这也是洲际航班的机组人员往往会被列为受辐射工种的原因。

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科学家早在一个世纪以前就已经观测到了这些粒子，并将它们称为宇宙射线。这个时间要远早于爱因斯坦提出广义相对论和波尔建立原子量子力学模型。但是直到现在，即使已经有半打诺贝尔奖颁给了宇宙射线相关领域，我们仍然不能完全确定这些宇宙射线来自何方——充斥于宇宙空间中各方的磁场在很大程度上扭曲了光临地球的这些射线的路径，使得我们无法从他们的路径上反推出他们从何而来。

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中微子暗示了这些粒子的来源
我是一个国际科学组织的一员，我们的主要工作就是建立一台寻找宇宙射线源头的特殊望远镜。既然宇宙射线本身无法告诉我们他们的来源，我们就另辟蹊径研究他们携带的中微子。中微子是一种亚原子粒子，应该只有在粒子被加减速时才会出现——不管是在星际间还是研究用的加速器里。

中微子有一些很特别的性质，使得他们被称为幽灵粒子。他们很少与其他粒子相互作用，为了探测这种粒子就必须要制造体积巨大的探测器。我们的探测器——也就是之前说的望远镜，被称为“冰立方”，因为它使用了一立方公里——换言之将近十亿吨南极冰层用于捕捉中微子。

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即使废了如此大的功夫，大部分中微子依然会不留痕迹穿过探测器，但是偶尔中的偶尔，有那么一些中微子会被沿路的原子所阻挡，碎裂成小块进入原子核中，并依据相对论原理释放出一个带电次级粒子。这些粒子通过冰层时，如果速度大于光在冰层中的传播速度，就会产生蓝色辉光，这种效应被称为切连科夫辐射。我们根据这种可观测辐射的数量与方位推测出经过的中微子的来源，所携带的能量以及中微子的类型。这样一步步的，我们就能绘制出这个宇宙中微子闪耀的图景。

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南极洲也许听起来不像是建立这么一个望远镜的首选地，但实际上，这里才是建立这种特殊望远镜最方便也最便宜的地方。美国一直在南极洲保有一部分科研设施，这里的科学家和工程师不仅仅在为“冰立方”望远镜工作。对我们而言更重要的是，南极科学站正建在三公里厚的冰层上，这些世界上最纯净的冰层正是这个中微子探测器最需要的部分。

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这是“冰立方”中86个探测器串中的一个，叫DOMs(数字光模块)，平时被深深地埋藏在冰面下。他们垂直间隔17米，用以捕捉中微子产生的切连科夫辐射

此处适合科学，以及冻不死的小强

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我得把之前的话说得严谨一些：“世界上最方便的地方”并不等于“方便”——南极洲对于肉体凡胎的科学家来说算不上是可以提供给研究工作的理想环境，从美国本土来南极科考站往往要用去一周多的时间，这趟旅程的最后一段，我们要搭乘国民警卫队空军特殊改造过的C-130运输机，降落在压实的白雪跑道上。即使是这样的飞机，一年之中也只有南半球夏季的四个月是可以进入南极腹地的，南极的仲夏时分(一月份)地面温度大约在零下十五摄氏度，而到了三月份，这个数据就会下降到零下四十五摄氏度，冷到C-130也无法正常运行。我们会在南极的夏末打包好行李，把剩下的工作交给漫漫南极长夜中的两名留守人员，他们与其他总数四十多人的各个考察队一起，将要在与世隔绝的南极大陆坚守一年中的其余八个月时间(有一定的无线网络连通，以及传统的无线电通讯)。

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在夏天，整个科考中心会增员到150人。南极其实是一片高海拔的荒漠，所以空气又脏又稀薄。但严寒还不是整个研究工作重要面临的最大挑战，与我而言，最为怪异的是要接受四个月的轮值任务中太阳永不落山的窘境，如果抽签到留守，就是六个月的时间：看着太阳在地平线上起起伏伏一圈圈的打转直到秋分。接下来就是六个月伸手不见五指的长夜，这种事情对我的生物节律造成了灾难——经常从梦中惊醒，看着床头闹钟指向三点，却弄不清楚刚睡了四个小时还是十六个小时。

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如果不考虑我们呆在世界上最孤独的地区，夏季的时候，科考站里依然十分拥挤。为了保持这些房屋设施的基本生存条件，就需要花费大量宝贵的燃料进行加温，科考站里的生活空间就狭小了很多。更不用说还需要额外的燃料融化水源，洗澡就成了一项奢侈的爱好——每人每周有两次两分钟的淋浴配给，这也构成了南极科考站独特的工作氛围。

结果正在涌现

在七年的前期建设以后，“冰立方”于2011年开始全面投入运转。与世界各地250多号研究人员打交道是一种挑战，但这还仅仅只是开始。大部分新入役的望远镜都会观察一些已知的内容用以校准望远镜的各项技术参数，而我们所面对的探测目标缺乏的就是可重复性，我们必须要让其他研究者相信，这里的产生的观测数据是切实可信的结果而不是“电源插头没插好”造成的随机噪声。

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冰立方项目完成两年后，我们宣布了已确认观测到的两次中微子信号，这两条来自太阳系外的中微子迹象构成了描绘宇宙中微子图景的第一笔，而去年我们记录到超过CERN加速器产生能量1000倍的中微子。

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在科学界中始终有关于中微子来自何方，是否可能由银河系自行产生以及他们的产生是否与暗物质有关的争论，随着相关研究的增加，我们期待着在不久的将来，这些疑问都能被我们一一解答。

本文译自 Independent，由 萝卜头 编辑发布。