南极高能粒子检测天文台证实60年前物理学理论

来源：Science科学

2016年12月6日，一个高能粒子以接近光速的速度从外太空飞向地球。这种粒子--一种电子反中微子--在南极冰原深处撞击了一个电子。这次碰撞产生了一个粒子，它迅速衰变成一团次级粒子并触发了部署在南极冰川中的冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)的传感器。

IceCube观测到了格拉肖(Glashow)共振事件，这一现象早在1960年就被诺贝尔奖得主物理学家Sheldon Glashow预测到了。通过这一发现，科学家们又一次证实了粒子物理的标准模型。它还进一步证明了冰立方的能力。IceCube利用嵌在南极冰层上的数千个传感器探测被称为中微子的几乎无质量的粒子以展开基础物理研究。该研究结果于2021年3月10日发表在《自然》上。

1960年，在今天的丹麦哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所做博士后研究员的谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)首次提出了这一观点。当时，他写了一篇论文预言一个反中微子--一种中微子的反物质孪生体--可以跟一个电子相互作用并通过一种被称为共振的过程产生一种尚未被发现的粒子。这一预言的关键是反中微子必须有精确的能量才能产生这种共振。

当提出的粒子--衰变的W玻色子最终于1983年被发现时，它被证明比格拉肖和他的同事在1960年预测的要重得多。格拉肖共振需要一个6.3千兆电子伏能量的中微子，这几乎是欧洲核子研究中心大型强子对撞机所能产生能量的1000倍。地球上没有任何人造粒子加速器--无论是现有的还是计划中的--能够创造出具有如此大能量的中微子。

然而星系中心的超大质量黑洞和其他极端宇宙事件的巨大能量则可以产生在地球上不可能产生的粒子。这种现象很可能是2016年到达IceCube的反中微子的原因，该中微子以6.3 PeV的能量撞击地球，这跟格拉肖的理论预测的吻合。

IceCube自2011年5月开始全面运作以来就发现了数以百计的高能中微子天体物理学并在粒子天体物理学产生了许多重要的结果。格拉肖共振事件因其极高的能量而获得关注。这是IceCube探测到的第三次能量大于5PeV的事件。

这一成果则来自三名科学家的共同努力，他们是日本千叶大学（现就职于威斯康辛大学麦迪逊分校）的Lu Lu、来自威斯康辛大学麦迪逊分校的Tianlu Yuan以及来自亚琛工业大学（现就职于慕尼黑工业大学）的Christian Haack。

为了确认探测结果并对中微子跟反中微子的比率进行决定性的测量，IceCube合作组织希望看到更多的格拉肖共振。IceCube探测器IceCube-Gen2的扩展计划将使科学家们能以一种具有统计学意义的方式进行这样的测量。这次合作最近还宣布了对探测器进行升级的消息，据披露，相关工作将在未来几年内实施。

现在，格拉肖是波士顿大学物理学荣誉退休教授，他认为有必要对以他命名的共振事件进行更多的探测。“可以绝对肯定的是，我们应该会看到另一个这样的事件，其能量跟之前看到的事件完全相同。目前只有一个，总有一天会有更多，”格拉肖说道。