科学家在南极冰层寻找太空中微子
利用天然冰层建造中微子探测器
如果要寻找来自太阳的中微子，一槽罐液体就可以了。然而，如果要寻找那些来自深空的剧烈事件(如超新星爆发)产生的中微子，一槽罐液体就不够用了，因为这些来自深空的高能中微子十分分散，到达地球的就很罕见了。如果科学家要用超纯水来检测来自深空的中微子，假定槽罐的长度为数十米，那么也许不得不等上数十年才能检测到一颗中微子。因此，要提高检测效率，所需槽罐的长度将不是以米来计量，而是要长达数千米。
于是，科学家想到了一个新的创意：利用南极冰原厚达数千米的天然冰层建造中微子探测器。这台探测器被称为“冰立方”中微子探测器，是迄今为止建造的最壮观的天文探测器。在这台仪器中，冰起着以往研究中超纯水的作用，它既是靶体，又是观测介质。
建造这台仪器的技术并不难。首先，工作人员使用高压热水在南极冰层中钻一些深达2450米的洞，每钻一个洞大约需40小时。然后，研究人员把一条带有连成一串的60个检测器模块的电缆往下放进这个洞里，并给这个洞浇满水，让它重新冻结。当一颗中微子在“冰立方”中触发了与某个原子核的反应的时候，会产生闪光。检测器就把闪光记录下来，地面的计算机根据记录下来的数据，可以重新构建出每一颗中微子的特性，并确定它们的能量及其来向。
然而，当研究人员把第一串检测器往下放到冰中以后，它们完全没有起作用。原来，在闪光到达检测器之前，留在冰中的微小气泡散射了这些光线。幸好，科学家们发现，在深度超过1400米时，冰的压力高得使气泡消失，研究人员所需要的清晰信号就出现了。因此，在接下来的实验中，检测器串就降到了1450米以下。
“冰立方”中的闪光大都不是来自深空的中微子产生，因为抵达地表的中微子大都来源于地球大气层。来自深空的宇宙线与地球大气中的原子碰撞，会产生很多中微子，它们与来自深空的中微子的比例达到500000∶1。如何分辨这两类中微子？研究发现，来自大气层中的中微子能量较低，不能穿越地球；而来自深空的中微子能量较高，可以穿越地球。因此，天文学家只需要关注来自地球深处的中微子就可以了。也就是说，这些中微子是由地球北极方向来的。它们在深空被发射出来以后，在北极进入地球，贯穿了整个地球，才到达安装在南极的检测器。实际上，这是把整个地球作为屏障，屏蔽掉了不想要的背景信号。
“冰立方”中微子探测器包括80串探测器模块，预计2012年1月完全建成。一旦这台探测器完全投入运行，它可能在未来10年内记录下百万次以上的深空高能中微子事件。这将给我们提供一个巨大的数据库，用于分析一些剧烈的太空事件，我们对宇宙起源和演化的认识也将迈上一个新台阶。
科学画报 文/王家骥
