科學家奉獻,在世界上最深的湖底下尋找幽靈粒子

2021年04月02日15:27:14 科學 1679

在經歷了四十年的挫折之後,俄羅斯冰凍的貝加爾湖下面的中微子觀測望遠鏡即將取得科學成果。

俄羅斯貝加爾湖畔—一個玻璃球,大小像沙灘球一樣,鑽入冰洞,然後用金屬纜索下降到世界上最深的湖底。

然後是另一個,另一個。

這些光探測球懸浮在深達地面以下4,000英尺的漆黑漆深的深度中。承載它們的電纜可容納36個這樣的球,相隔50英尺。有64條這樣的電纜,由錨和浮標固定在距離該西伯利亞湖鋸齒狀南部海岸兩英里的地方,其底部向下超過一英里。


這是北半球最大的望遠鏡,專為探索黑洞,遙遠的星系和爆炸的恆星殘骸而建造。它是通過搜索中微子,宇宙微粒而實現的,這種微粒是如此之小,以至於每秒有數萬億個中子通過我們每個人。科學家們相信,如果只有我們能夠學會閱讀它們所傳達的信息,我們就可以以我們尚無法完全理解的方式繪製宇宙及其歷史的圖表。


80歲的俄羅斯物理學家格里戈里·V·多莫加茨基 說:「您永遠不會錯過向自然界提出任何問題的機會,」他致力於建造這種水下望遠鏡已有40年的歷史。

片刻之後,他補充說:「你永遠都不知道會得到什麼答案。」


它仍在建設中,但Domogatski博士和其他科學家夢long以求的望遠鏡比以往任何時候都更接近實現結果的目的。跨越地緣政治和天體物理學時代,從宇宙的遠處尋找中微子,這揭示了俄羅斯如何設法保留了一些蘇聯特有的科學能力以及這種遺產的局限性。

貝加爾湖冒險並不是在世界上最偏遠的地方尋找中微子的唯一努力。數十種儀器在整個星球的專門實驗室中尋找粒子。但是,新的俄羅斯項目將是對IceCube工作的重要補充,IceCube是世界上最大的中微子望遠鏡,這是美國牽頭的,耗資2.79億美元的項目,涵蓋南極洲約四分之一立方英里的冰。


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俄羅斯物理學家格里戈里五世領導了建立觀測站40年的探索。


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望遠鏡位於西伯利亞貝加爾湖南部海岸兩英里處。湖底向下超過一英里,使其成為世界上最深的湖。


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科學家葉夫根尼·普利斯科夫斯基,監視着貝加爾湖岸邊一棟建築物的數據。


IceCube使用類似於貝加爾湖望遠鏡的光探測器網格,在2017年發現了一個中微子,科學家稱幾乎可以肯定它來自超大質量黑洞。這是科學家首次查明來自宇宙射線的太空中高能粒子的雨源,這是中微子天文學的突破,該分支仍處於起步階段。

該領域的從業者認為,當他們學會使用中微子閱讀宇宙時,他們可能會做出新的出乎意料的發現-就像最早開發望遠鏡的鏡頭製造者無法想像,伽利略以後會用它來發現木星的衛星。


威斯康星大學麥迪遜分校天體物理學家,IceCube主任弗朗西斯·哈爾岑(Francis L. Halzen)在電話採訪中說:「這就像在夜晚看天空,看到一顆星星。」對於幽靈般的粒子。


蘇聯科學家的早期工作幫助啟發了Halzen博士在1980年代在南極冰中建造了一個中微子探測器。現在,哈爾岑博士說,他的團隊相信它可能已經發現了來自太空深處的另外兩個中微子來源-但很難確定,因為沒有其他人發現它們。他希望,隨着貝加爾湖望遠鏡的發展,這種情況將在未來幾年內改變。

哈爾岑博士說:「我們必須是超級保守的,因為目前沒有人可以檢查我們在做什麼。」 「令我興奮的是,還有另一個實驗可以與之交互並交換數據。」


在1970年代,儘管發生了冷戰,但美國人和蘇聯仍在共同努力,計劃在夏威夷海岸外建造第一台深水中微子探測器。但是在蘇聯入侵阿富汗之後,蘇聯被趕出了該項目。因此,在1980年,由多莫加茨基(Domogatski)博士領導的莫斯科核研究所開始了自己的中微子望遠鏡研究工作。可以嘗試的地方似乎很明顯,儘管它位於約2500英里之外:貝加爾湖。


在蘇聯解體之前,該項目並沒有超出規劃和設計範圍,這使該國許多科學家陷入貧困,並使他們的努力陷入混亂。但是,柏林郊外的一家研究所(後來成為德國DESY粒子研究中心的一部分)加入了貝加爾湖的研究。


領導德國團隊的克里斯蒂安·斯皮林(Christian Spiering)回憶起運送數百磅的黃油,糖,咖啡和香腸,以維持每年的冬季探險在貝加爾湖上的行動。他還向莫斯科帶來了價值數千美元的現金,以補充俄羅斯人微薄的薪水。


Domogatski博士及其團隊堅持不懈。Spiering博士回憶說,當立陶宛一家電子製造商拒絕接受盧布付款時,一位物理學家通過談判向一輛裝滿雪松木的火車付款。


在與Spiering博士的一次對話中,Domogatski博士曾經將他的科學家與那隻青蛙中的那隻青蛙作了比較,這種諺語掉進了一大桶牛奶中,只有一種生存方式:「它必須不斷運動,直到牛奶變成黃油為止。」


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貝加爾湖上空冉冉升起的太陽。冬季,三英尺的冰覆蓋了湖泊,是安裝水下光電倍增管陣列的理想平台。


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到1990年代中期,俄羅斯團隊已經設法識別出「大氣」中微子-地球大氣中的碰撞產生的中微子-但不是來自外層空間的中微子。為此,將需要更大的檢測器。在2000年代俄羅斯開始在總統弗拉基米爾五世·普京(Vladimir V. Putin)的領導下對科學進行再投資時,多莫加茨基(Domogatski)博士獲得了超過3,000萬美元的資金,用於建造一台像IceCube一樣大的新貝加爾湖望遠鏡。

該湖深達一英里,擁有世界上最清澈的淡水,沙皇時代的鐵路方便地繞過南部海岸。最重要的是,它在冬天被三英尺厚的冰覆蓋著:這是自然界安裝水下光電倍增管陣列的理想平台。


就好像貝加爾湖就是從事這類研究的,」該項目的研究人員拜爾·謝伯諾夫(Bair Shaybonov)說。

建造工作於2015年開始,第一階段包括2304個懸浮在深處的光探測球,計劃於4月冰融化時完成。(球體整年都懸浮在水中,監視中微子,並通過水下電纜將數據發送到科學家的湖岸基地。)望遠鏡多年來一直在收集數據,但是俄羅斯科學大臣瓦列里·法爾科夫(Valery N. Falkov)暴跌。作為本月電視製作開幕式的一部分,一條鏈條陷入了冰層。

貝加爾望遠鏡從整個地球向下,朝另一側,朝着銀河系的中心向下看,這實際上是利用地球作為一個巨大的篩子。在大多數情況下,撞擊到行星另一側的較大粒子最終會與原子碰撞。但是,幾乎所有中微子(每秒都會有1000億個中微子通過你的指尖)基本上在一條直線上連續。

然而,當極少數中微子撞擊到水中的原子核時,它會產生稱為Cherenkov輻射的藍光錐。這種效應是由蘇聯物理學家帕維爾·謝倫科夫(Pavel A. Cherenkov)發現的,他是多莫加茨基(Domogatski)博士以前的同事之一,位於莫斯科研究所的大廳里。

許多物理學家認為,如果您花費數十年的時間監控十億噸深水中奇倫科夫光的微小閃光,最終您會發現中微子,其起源可追溯至宇宙大火,這些大火將它們發射了數十億光年

藍錐的方向甚至揭示了引起它們的中微子來自的精確方向。由於沒有電荷,中微子不會受到星際和星際磁場的影響,也不會擾亂其他類型的宇宙粒子(如質子和電子)的路徑的其他影響。中微子在愛因斯坦引力允許的範圍內穿過宇宙。

這就是中微子對於研究宇宙最早,最遙遠和最猛烈的事件如此重要的原因。它們可以幫助闡明其他謎團,例如,比太陽重得多的恆星坍塌成大約12英里寬的超中子球,從而發射出大量的中微子。


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儘管該項目意義重大,但預算卻很少,大約2月份和3月份的幾乎所有科學家都花了2月和3月在貝加爾湖的營地安裝和維修組件。

Domogatski博士談到中微子時說:「它在宇宙中傳播,幾乎沒有碰撞也沒有人碰撞。」 「為此,宇宙是一個透明的世界。」

由於貝加爾望遠鏡本質上是從整個星球看的,所以它研究了南半球的天空。這使其成為對南極洲IceCube的補充,以及在建造初期的地中海地中海項目。

Spiering博士說:「我們需要一個與北半球的IceCube相當的產品。」 Spiering博士仍參與IceCube和貝加爾湖項目。

Domogatski博士說,他的團隊已經在與其他地方的中微子獵人交換數據,並且已經找到證據支持IceCube關於中微子來自外層空間的結論。他仍然承認,貝加爾湖項目在開發實時識別中微子所必需的計算機軟件方面遠遠落後於其他項目。


儘管該項目具有重要意義,但它仍是一筆不菲的預算—從事望遠鏡工作的大約60名科學家中,幾乎所有人通常都在2月和3月在貝加爾湖的營地度過,以安裝和維修其組件。相比之下,IceCube涉及約300名科學家,其中大多數人從未去過南極。


如今,Domogatski博士不再參加每年的貝加爾湖冬季探險。但是他仍然在蘇聯時代的研究所工作,在那裡他通過共產主義,混亂的1990年代和普京統治的20多年使中微子夢想得以延續。


Domogatski博士說:「如果您要承擔一個項目,則必須了解必須在任何情況下都必須實現它。」 「否則,即使開始也沒有任何意義。」


奧列格·馬特斯涅夫(Oleg Matsnev)貢獻了研究。

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