在南极冰层中进行的科学实验寻找有关暗物质的线索

自 2004 年以来，每年十二月，工程师们都会飞往南极，在冰层上钻出 8000 英尺深的洞。团队将电缆放入洞中，每根电缆上都系有 60 个迪斯科球大小的光传感器，然后让它们结冰。到目前为止，他们已经完成了 79 个这样的洞，每边半英里一个网格，并计划本月钻出最后七个。最终成果将是冰立方中微子观测站，一个装满 5320 个传感器的冰立方体，用于寻找宇宙粒子。

中微子是由放射性衰变或核反应产生的亚原子粒子。与其他类型的太阳系外辐射一样，它们产生于高能宇宙事件，并不断轰击地球。然而，中微子在宇宙粒子中是独一无二的，因为它们不带电荷。恒星和行星的磁场会弯曲带电粒子的路径，使科学家无法确定它们的来源。但中微子沿直线飞行：捕捉一个中微子，你就可以追溯到它的产生者，这使它们成为探索宇宙远端最简单的方法之一。

然而，探测中微子有点像用渔网捉跳蚤——这种粒子非常小，每秒有数万亿个中微子穿过地球，甚至不会碰到一个原子。因此，IceCube 的研究人员采用了一种巧妙的技术来发现中微子的间接证据。

每天，数十个穿过冰立方的中微子会撞击冰中的氢原子或氧原子，并发射出另一种粒子，即发出蓝光的介子。在南极洲几乎纯净的冰层中，光传感器可以在一个足球场外发现这种闪光，并且通过数十个传感器记录每个介子，科学家可以对中微子穿过冰层的确切路径进行三角测量，并推断出其来源。

劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家斯宾塞·克莱恩将负责监测冰立方的输出，他说，冰立方的尺寸使其能够测量超高能中微子，这种粒子的能量相当于罗杰·费德勒的一次发球。他说，这些中微子的来源很神秘。主要怀疑是超大质量黑洞喷出强烈的粒子流，或者是中子星和黑洞的碰撞。“或者可能是某种未知的东西，”克莱恩说。“很难解释如何获得如此高能的粒子，但很明显它们存在。”

他说，这种未知的东西可能是暗物质，即占宇宙 90% 的不可见物质。暗物质的存在早在 1933 年就被提出，但科学家对它是什么以及它如何起作用仍然知之甚少。一种理论认为它由弱相互作用粒子组成。如果足够多的这些粒子聚集在一起，它们可能会相互湮灭并产生一连串中微子，IceCube 可以探测到这些中微子，以帮助揭示暗物质的一些特征。如果中微子来自地球或太阳，这将证实暗物质粒子存在并且它们受到引力的吸引。如果太阳发射的中微子比地球多，这表明暗物质粒子与氢的相互作用更强烈，这为了解物质的量子行为提供了线索。

一旦 IceCube 的最后七组传感器安装到位，它将每天探测到 100 个中微子，是两年前建成的法国中微子探测器 Antares 的 14 倍。IceCube 的首席研究员 Francis Halzen 说，IceCube 不仅将帮助科学家识别宇宙射线、暗物质和其他影响宇宙演化的物体的来源，还将带来意想不到的发现。他指出，从伽利略的折射望远镜到哈勃太空望远镜，每次科学家使用高保真度工具观察宇宙时，他们都会发现一些新的东西。“如果 IceCube 观察到分离的粒子对，它们可能是超对称的，是一种新的、非常不同的物质类型，”克莱因说。“那将非常令人兴奋。”