南極高能粒子檢測天文台證實60年前物理學理論
據外媒報導,2016年12月6日,一個高能粒子以接近光速的速度從外太空飛向地球。這種粒子–一種電子反中微子–在南極冰原深處撞擊了一個電子。這次碰撞產生了一個粒子,它迅速衰變成一團次級粒子並觸發了部署在南極冰川中的冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)的傳感器。
IceCube觀測到了格拉肖(Glashow)共振事件,這一現象早在1960年就被諾貝爾獎得主物理學家Sheldon Glashow預測到了。通過這一發現,科學家們又一次證實了粒子物理的標準模型。它還進一步證明了冰立方的能力。IceCube利用嵌在南極冰層上的數千個傳感器探測被稱為中微子的幾乎無質量的粒子以展開基礎物理研究。該研究結果於2021年3月10日發表在《自然》上。
1960年,在今天的丹麥哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所做博士後研究員的謝爾登·格拉肖(Sheldon Glashow)首次提出了這一觀點。當時,他寫了一篇論文預言一個反中微子–一種中微子的反物質孿生體–可以跟一個電子相互作用並通過一種被稱為共振的過程產生一種尚未被發現的粒子。這一預言的關鍵是反中微子必須有精確的能量才能產生這種共振。
當提出的粒子–衰變的W玻色子最終於1983年被發現時,它被證明比格拉肖和他的同事在1960年預測的要重得多。格拉肖共振需要一個6.3千兆電子伏能量的中微子,這幾乎是歐洲核子研究中心大型強子對撞機所能產生能量的1000倍。地球上沒有任何人造粒子加速器–無論是現有的還是計劃中的–能夠創造出具有如此大能量的中微子。
然而星系中心的超大質量黑洞和其他極端宇宙事件的巨大能量則可以產生在地球上不可能產生的粒子。這種現像很可能是2016年到達IceCube的反中微子的原因,該中微子以6.3 PeV的能量撞擊地球,這跟格拉肖的理論預測的吻合。
IceCube自2011年5月開始全面運作以來就發現了數以百計的高能中微子天體物理學並在粒子天體物理學產生了許多重要的結果。格拉肖共振事件因其極高的能量而獲得關注。這是IceCube探測到的第三次能量大於5PeV的事件。
這一成果則來自三名科學家的共同努力,他們是日本千葉大學(現就職於威斯康辛大學麥迪遜分校)的Lu Lu、來自威斯康辛大學麥迪遜分校的Tianlu Yuan以及來自亞琛工業大學(現就職於慕尼黑工業大學)的Christian Haack。
為了確認探測結果並對中微子跟反中微子的比率進行決定性的測量,IceCube合作組織希望看到更多的格拉肖共振。IceCube探測器IceCube-Gen2的擴展計劃將使科學家們能以一種具有統計學意義的方式進行這樣的測量。這次合作最近還宣布了對探測器進行升級的消息,據披露,相關工作將在未來幾年內實施。
現在,格拉肖是波士頓大學物理學榮譽退休教授,他認為有必要對以他命名的共振事件進行更多的探測。“可以絕對肯定的是,我們應該會看到另一個這樣的事件,其能量跟之前看到的事件完全相同。目前只有一個,總有一天會有更多,”格拉肖說道。