科学家奉献,在世界上最深的湖底下寻找幽灵粒子

2021年04月02日15:27:14 科学 1679

在经历了四十年的挫折之后,俄罗斯冰冻的贝加尔湖下面的中微子观测望远镜即将取得科学成果。

俄罗斯贝加尔湖畔—一个玻璃球,大小像沙滩球一样,钻入冰洞,然后用金属缆索下降到世界上最深的湖底。

然后是另一个,另一个。

这些光探测球悬浮在深达地面以下4,000英尺的漆黑漆深的深度中。承载它们的电缆可容纳36个这样的球,相隔50英尺。有64条这样的电缆,由锚和浮标固定在距离该西伯利亚湖锯齿状南部海岸两英里的地方,其底部向下超过一英里。


这是北半球最大的望远镜,专为探索黑洞,遥远的星系和爆炸的恒星残骸而建造。它是通过搜索中微子,宇宙微粒而实现的,这种微粒是如此之小,以至于每秒有数万亿个中子通过我们每个人。科学家们相信,如果只有我们能够学会阅读它们所传达的信息,我们就可以以我们尚无法完全理解的方式绘制宇宙及其历史的图表。


80岁的俄罗斯物理学家格里戈里·V·多莫加茨基 说:“您永远不会错过向自然界提出任何问题的机会,”他致力于建造这种水下望远镜已有40年的历史。

片刻之后,他补充说:“你永远都不知道会得到什么答案。”


它仍在建设中,但Domogatski博士和其他科学家梦long以求的望远镜比以往任何时候都更接近实现结果的目的。跨越地缘政治和天体物理学时代,从宇宙的远处寻找中微子,这揭示了俄罗斯如何设法保留了一些苏联特有的科学能力以及这种遗产的局限性。

贝加尔湖冒险并不是在世界上最偏远的地方寻找中微子的唯一努力。数十种仪器在整个星球的专门实验室中寻找粒子。但是,新的俄罗斯项目将是对IceCube工作的重要补充,IceCube是世界上最大的中微子望远镜,这是美国牵头的,耗资2.79亿美元的项目,涵盖南极洲约四分之一立方英里的冰。


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俄罗斯物理学家格里戈里五世领导了建立观测站40年的探索。


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望远镜位于西伯利亚贝加尔湖南部海岸两英里处。湖底向下超过一英里,使其成为世界上最深的湖。


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科学家叶夫根尼·普利斯科夫斯基,监视着贝加尔湖岸边一栋建筑物的数据。


IceCube使用类似于贝加尔湖望远镜的光探测器网格,在2017年发现了一个中微子,科学家称几乎可以肯定它来自超大质量黑洞。这是科学家首次查明来自宇宙射线的太空中高能粒子的雨源,这是中微子天文学的突破,该分支仍处于起步阶段。

该领域的从业者认为,当他们学会使用中微子阅读宇宙时,他们可能会做出新的出乎意料的发现-就像最早开发望远镜的镜头制造者无法想象,伽利略以后会用它来发现木星的卫星。


威斯康星大学麦迪逊分校天体物理学家,IceCube主任弗朗西斯·哈尔岑(Francis L. Halzen)在电话采访中说:“这就像在夜晚看天空,看到一颗星星。”对于幽灵般的粒子。


苏联科学家的早期工作帮助启发了Halzen博士在1980年代在南极冰中建造了一个中微子探测器。现在,哈尔岑博士说,他的团队相信它可能已经发现了来自太空深处的另外两个中微子来源-但很难确定,因为没有其他人发现它们。他希望,随着贝加尔湖望远镜的发展,这种情况将在未来几年内改变。

哈尔岑博士说:“我们必须是超级保守的,因为目前没有人可以检查我们在做什么。” “令我兴奋的是,还有另一个实验可以与之交互并交换数据。”


在1970年代,尽管发生了冷战,但美国人和苏联仍在共同努力,计划在夏威夷海岸外建造第一台深水中微子探测器。但是在苏联入侵阿富汗之后,苏联被赶出了该项目。因此,在1980年,由多莫加茨基(Domogatski)博士领导的莫斯科核研究所开始了自己的中微子望远镜研究工作。可以尝试的地方似乎很明显,尽管它位于约2500英里之外:贝加尔湖。


在苏联解体之前,该项目并没有超出规划和设计范围,这使该国许多科学家陷入贫困,并使他们的努力陷入混乱。但是,柏林郊外的一家研究所(后来成为德国DESY粒子研究中心的一部分)加入了贝加尔湖的研究。


领导德国团队的克里斯蒂安·斯皮林(Christian Spiering)回忆起运送数百磅的黄油,糖,咖啡和香肠,以维持每年的冬季探险在贝加尔湖上的行动。他还向莫斯科带来了价值数千美元的现金,以补充俄罗斯人微薄的薪水。


Domogatski博士及其团队坚持不懈。Spiering博士回忆说,当立陶宛一家电子制造商拒绝接受卢布付款时,一位物理学家通过谈判向一辆装满雪松木的火车付款。


在与Spiering博士的一次对话中,Domogatski博士曾经将他的科学家与那只青蛙中的那只青蛙作了比较,这种谚语掉进了一大桶牛奶中,只有一种生存方式:“它必须不断运动,直到牛奶变成黄油为止。”


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贝加尔湖上空冉冉升起的太阳。冬季,三英尺的冰覆盖了湖泊,是安装水下光电倍增管阵列的理想平台。


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到1990年代中期,俄罗斯团队已经设法识别出“大气”中微子-地球大气中的碰撞产生的中微子-但不是来自外层空间的中微子。为此,将需要更大的检测器。在2000年代俄罗斯开始在总统弗拉基米尔五世·普京(Vladimir V. Putin)的领导下对科学进行再投资时,多莫加茨基(Domogatski)博士获得了超过3,000万美元的资金,用于建造一台像IceCube一样大的新贝加尔湖望远镜。

该湖深达一英里,拥有世界上最清澈的淡水,沙皇时代的铁路方便地绕过南部海岸。最重要的是,它在冬天被三英尺厚的冰覆盖着:这是自然界安装水下光电倍增管阵列的理想平台。


就好像贝加尔湖就是从事这类研究的,”该项目的研究人员拜尔·谢伯诺夫(Bair Shaybonov)说。

建造工作于2015年开始,第一阶段包括2304个悬浮在深处的光探测球,计划于4月冰融化时完成。(球体整年都悬浮在水中,监视中微子,并通过水下电缆将数据发送到科学家的湖岸基地。)望远镜多年来一直在收集数据,但是俄罗斯科学大臣瓦列里·法尔科夫(Valery N. Falkov)暴跌。作为本月电视制作开幕式的一部分,一条链条陷入了冰层。

贝加尔望远镜从整个地球向下,朝另一侧,朝着银河系的中心向下看,这实际上是利用地球作为一个巨大的筛子。在大多数情况下,撞击到行星另一侧的较大粒子最终会与原子碰撞。但是,几乎所有中微子(每秒都会有1000亿个中微子通过你的指尖)基本上在一条直线上连续。

然而,当极少数中微子撞击到水中的原子核时,它会产生称为Cherenkov辐射的蓝光锥。这种效应是由苏联物理学家帕维尔·谢伦科夫(Pavel A. Cherenkov)发现的,他是多莫加茨基(Domogatski)博士以前的同事之一,位于莫斯科研究所的大厅里。

许多物理学家认为,如果您花费数十年的时间监控十亿吨深水中奇伦科夫光的微小闪光,最终您会发现中微子,其起源可追溯至宇宙大火,这些大火将它们发射了数十亿光年

蓝锥的方向甚至揭示了引起它们的中微子来自的精确方向。由于没有电荷,中微子不会受到星际和星际磁场的影响,也不会扰乱其他类型的宇宙粒子(如质子和电子)的路径的其他影响。中微子在爱因斯坦引力允许的范围内穿过宇宙。

这就是中微子对于研究宇宙最早,最遥远和最猛烈的事件如此重要的原因。它们可以帮助阐明其他谜团,例如,比太阳重得多的恒星坍塌成大约12英里宽的超中子球,从而发射出大量的中微子。


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尽管该项目意义重大,但预算却很少,大约2月份和3月份的几乎所有科学家都花了2月和3月在贝加尔湖的营地安装和维修组件。

Domogatski博士谈到中微子时说:“它在宇宙中传播,几乎没有碰撞也没有人碰撞。” “为此,宇宙是一个透明的世界。”

由于贝加尔望远镜本质上是从整个星球看的,所以它研究了南半球的天空。这使其成为对南极洲IceCube的补充,以及在建造初期的地中海地中海项目。

Spiering博士说:“我们需要一个与北半球的IceCube相当的产品。” Spiering博士仍参与IceCube和贝加尔湖项目。

Domogatski博士说,他的团队已经在与其他地方的中微子猎人交换数据,并且已经找到证据支持IceCube关于中微子来自外层空间的结论。他仍然承认,贝加尔湖项目在开发实时识别中微子所必需的计算机软件方面远远落后于其他项目。


尽管该项目具有重要意义,但它仍是一笔不菲的预算—从事望远镜工作的大约60名科学家中,几乎所有人通常都在2月和3月在贝加尔湖的营地度过,以安装和维修其组件。相比之下,IceCube涉及约300名科学家,其中大多数人从未去过南极。


如今,Domogatski博士不再参加每年的贝加尔湖冬季探险。但是他仍然在苏联时代的研究所工作,在那里他通过共产主义,混乱的1990年代和普京统治的20多年使中微子梦想得以延续。


Domogatski博士说:“如果您要承担一个项目,则必须了解必须在任何情况下都必须实现它。” “否则,即使开始也没有任何意义。”


奥列格·马特斯涅夫(Oleg Matsnev)贡献了研究。

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