要是這輩子沒(méi)機(jī)會(huì)去一趟外星球,南極可能是最接近我(原文作者,下同)理想中的純凈世界了。在這里隨便向哪個(gè)方向走出南極科考站的建筑幾百米,包圍你的就是一片缺乏特征的冰雪平原,好像幾百公里內(nèi)除了自己就沒(méi)有超越病毒和細(xì)菌的存在。因?yàn)檠?huì)不會(huì)產(chǎn)生回聲,這里一切都靜謐得充滿哲學(xué)氣氛。在這種環(huán)境下,人很容易陷入回憶與遐想中,思緒飛到很遠(yuǎn)。但是很快你又會(huì)回過(guò)神來(lái),意識(shí)到自己身負(fù)重任來(lái)到這里是要為世界上最奇怪的望遠(yuǎn)鏡工作,尋找自然界里更奇怪的亞原子粒子。
每一分每一秒鐘,地球的大氣都要迎受每平米超過(guò)10000個(gè)高速宇宙粒子的沖擊——大部分是散碎的質(zhì)子與原子核——他們中的一些帶有超過(guò)最先進(jìn)加速器中獲得的高能質(zhì)子一百萬(wàn)倍的能量。幸運(yùn)的是,大氣層阻擋和吸收了他們中的絕大部分,但是仍有部分高能粒子每時(shí)每刻穿越過(guò)你我的身體,大氣層越薄的地方這一效應(yīng)就越明顯,這也是洲際航班的機(jī)組人員往往會(huì)被列為受輻射工種的原因。
科學(xué)家早在一個(gè)世紀(jì)以前就已經(jīng)觀測(cè)到了這些粒子,并將它們稱為宇宙射線。這個(gè)時(shí)間要遠(yuǎn)早于愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論和波爾建立原子量子力學(xué)模型。但是直到現(xiàn)在,即使已經(jīng)有半打諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給了宇宙射線相關(guān)領(lǐng)域,我們?nèi)匀徊荒芡耆_定這些宇宙射線來(lái)自何方——充斥于宇宙空間中各方的磁場(chǎng)在很大程度上扭曲了光臨地球的這些射線的路徑,使得我們無(wú)法從他們的路徑上反推出他們從何而來(lái)。
中微子暗示了這些粒子的來(lái)源
我是一個(gè)國(guó)際科學(xué)組織的一員,我們的主要工作就是建立一臺(tái)尋找宇宙射線源頭的特殊望遠(yuǎn)鏡。既然宇宙射線本身無(wú)法告訴我們他們的來(lái)源,我們就另辟蹊徑研究他們攜帶的中微子。中微子是一種亞原子粒子,應(yīng)該只有在粒子被加減速時(shí)才會(huì)出現(xiàn)——不管是在星際間還是研究用的加速器里。
中微子有一些很特別的性質(zhì),使得他們被稱為幽靈粒子。他們很少與其他粒子相互作用,為了探測(cè)這種粒子就必須要制造體積巨大的探測(cè)器。我們的探測(cè)器——也就是之前說(shuō)的望遠(yuǎn)鏡,被稱為“冰立方”,因?yàn)樗褂昧艘涣⒎焦铩獡Q言之將近十億噸南極冰層用于捕捉中微子。
即使廢了如此大的功夫,大部分中微子依然會(huì)不留痕跡穿過(guò)探測(cè)器,但是偶爾中的偶爾,有那么一些中微子會(huì)被沿路的原子所阻擋,碎裂成小塊進(jìn)入原子核中,并依據(jù)相對(duì)論原理釋放出一個(gè)帶電次級(jí)粒子。這些粒子通過(guò)冰層時(shí),如果速度大于光在冰層中的傳播速度,就會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色輝光,這種效應(yīng)被稱為切連科夫輻射。我們根據(jù)這種可觀測(cè)輻射的數(shù)量與方位推測(cè)出經(jīng)過(guò)的中微子的來(lái)源,所攜帶的能量以及中微子的類(lèi)型。這樣一步步的,我們就能繪制出這個(gè)宇宙中微子閃耀的圖景。
南極洲也許聽(tīng)起來(lái)不像是建立這么一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的首選地,但實(shí)際上,這里才是建立這種特殊望遠(yuǎn)鏡最方便也最便宜的地方。美國(guó)一直在南極洲保有一部分科研設(shè)施,這里的科學(xué)家和工程師不僅僅在為“冰立方”望遠(yuǎn)鏡工作。對(duì)我們而言更重要的是,南極科學(xué)站正建在三公里厚的冰層上,這些世界上最純凈的冰層正是這個(gè)中微子探測(cè)器最需要的部分。
這是“冰立方”中86個(gè)探測(cè)器串中的一個(gè),叫DOMs(數(shù)字光模塊),平時(shí)被深深地埋藏在冰面下。他們垂直間隔17米,用以捕捉中微子產(chǎn)生的切連科夫輻射
此處適合科學(xué),以及凍不死的小強(qiáng)
我得把之前的話說(shuō)得嚴(yán)謹(jǐn)一些:“世界上最方便的地方”并不等于“方便”——南極洲對(duì)于肉體凡胎的科學(xué)家來(lái)說(shuō)算不上是可以提供給研究工作的理想環(huán)境,從美國(guó)本土來(lái)南極科考站往往要用去一周多的時(shí)間,這趟旅程的最后一段,我們要搭乘國(guó)民警衛(wèi)隊(duì)空軍特殊改造過(guò)的C-130運(yùn)輸機(jī),降落在壓實(shí)的白雪跑道上。即使是這樣的飛機(jī),一年之中也只有南半球夏季的四個(gè)月是可以進(jìn)入南極腹地的,南極的仲夏時(shí)分(一月份)地面溫度大約在零下十五攝氏度,而到了三月份,這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)下降到零下四十五攝氏度,冷到C-130也無(wú)法正常運(yùn)行。我們會(huì)在南極的夏末打包好行李,把剩下的工作交給漫漫南極長(zhǎng)夜中的兩名留守人員,他們與其他總數(shù)四十多人的各個(gè)考察隊(duì)一起,將要在與世隔絕的南極大陸堅(jiān)守一年中的其余八個(gè)月時(shí)間(有一定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連通,以及傳統(tǒng)的無(wú)線電通訊)。
在夏天,整個(gè)科考中心會(huì)增員到150人。南極其實(shí)是一片高海拔的荒漠,所以空氣又臟又稀薄。但嚴(yán)寒還不是整個(gè)研究工作重要面臨的最大挑戰(zhàn),與我而言,最為怪異的是要接受四個(gè)月的輪值任務(wù)中太陽(yáng)永不落山的窘境,如果抽簽到留守,就是六個(gè)月的時(shí)間:看著太陽(yáng)在地平線上起起伏伏一圈圈的打轉(zhuǎn)直到秋分。接下來(lái)就是六個(gè)月伸手不見(jiàn)五指的長(zhǎng)夜,這種事情對(duì)我的生物節(jié)律造成了災(zāi)難——經(jīng)常從夢(mèng)中驚醒,看著床頭鬧鐘指向三點(diǎn),卻弄不清楚剛睡了四個(gè)小時(shí)還是十六個(gè)小時(shí)。
如果不考慮我們呆在世界上最孤獨(dú)的地區(qū),夏季的時(shí)候,科考站里依然十分擁擠。為了保持這些房屋設(shè)施的基本生存條件,就需要花費(fèi)大量寶貴的燃料進(jìn)行加溫,科考站里的生活空間就狹小了很多。更不用說(shuō)還需要額外的燃料融化水源,洗澡就成了一項(xiàng)奢侈的愛(ài)好——每人每周有兩次兩分鐘的淋浴配給,這也構(gòu)成了南極科考站獨(dú)特的工作氛圍。
結(jié)果正在涌現(xiàn)
在七年的前期建設(shè)以后,“冰立方”于2011年開(kāi)始全面投入運(yùn)轉(zhuǎn)。與世界各地250多號(hào)研究人員打交道是一種挑戰(zhàn),但這還僅僅只是開(kāi)始。大部分新入役的望遠(yuǎn)鏡都會(huì)觀察一些已知的內(nèi)容用以校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),而我們所面對(duì)的探測(cè)目標(biāo)缺乏的就是可重復(fù)性,我們必須要讓其他研究者相信,這里的產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)是切實(shí)可信的結(jié)果而不是“電源插頭沒(méi)插好”造成的隨機(jī)噪聲。
冰立方項(xiàng)目完成兩年后,我們宣布了已確認(rèn)觀測(cè)到的兩次中微子信號(hào),這兩條來(lái)自太陽(yáng)系外的中微子跡象構(gòu)成了描繪宇宙中微子圖景的第一筆,而去年我們記錄到超過(guò)CERN加速器產(chǎn)生能量1000倍的中微子。
在科學(xué)界中始終有關(guān)于中微子來(lái)自何方,是否可能由銀河系自行產(chǎn)生以及他們的產(chǎn)生是否與暗物質(zhì)有關(guān)的爭(zhēng)論,隨著相關(guān)研究的增加,我們期待著在不久的將來(lái),這些疑問(wèn)都能被我們一一解答。
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