南极洲的耳朵：物理学家如何把整整一个大洲变成超高能中微子检测器

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效仿儒勒·凡尔纳（Jules Verne）

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每年，来自夏威夷岛大学、为何俄罗斯学者及其美国国家航空航天局、国立核能研究大学莫斯科工程物理学院的学者们，以及世界上许多其它科研中心的学者们都要前往南极洲的美国麦克默多科考站（McMurdo Station），开展非同寻常的科学考察，在此过程中他们似乎做一些非常奇怪的事情。他们在寒冷的极地空气中释放安装有高科技装备的探空气球，在接下去的3到4个月内把这些气球完全交给风使。

这些"探空气球"在寻找一种物质--超高能的中微子。它们是发生在银河系中心、超大块黑洞边缘和宇宙其它角落中的最强烈爆炸和大灾难的痕迹，天文学家仍在继续争辩它们的性质。 

物理学家诺维科夫解释说："实际上，探空气球不能被称作是某种奇怪的古老事情。现代的探空气球可以维持自己的高度，在昼夜不同时段升降，并进行其它机动。探空气球与卫星的区别是：探空气球可以重复多次释放，这大大降低了进行观测活动的花费。"

物理学家诺维科夫指出，而且，探空气球所能够转发和获取的数据要远比卫星做得多。它还有其它几个优势，使得参加南极瞬态脉冲天线（Antarctic Impulse Transient Antenna）的科考团队把"19世纪的遗产"选作基本平台，收集美国和国立核能研究大学莫斯科工程物理学院制造的检测器。

参加南极瞬态脉冲天线项目的美国学者们已经寻觅中微子10年，目前他们没能成功找到一个相似的粒子。目前这不是问题--另一个类似项目皮埃尔·奥热高山望远镜在不断工作几十年后，也只能发现20多或者30多条宇宙超能射线。

今天学者们认为，与太阳和其它星星形成的普通中微子不同的是，超高能中微子在极端非同寻常的过程中产生，其中包括暗物质粒子解体过程，这些观测试图揭示它的性质。诺维科夫指出，这种粒子的最罕见特点迫使物理学家们把整个南极洲变成巨大的超高能中微子检测器。

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南极洲说，南极洲听

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物理学家诺维科夫解释说："发现粒子的可能性取决于两个参数：检测器的面积，以及它们的运行时间。在我们的情况下，南极洲的冰就在扮演着检测器的角色。存在相似的地面检测器：ARIANA和ARA。它们可能昼夜都在运转，但在这种情况下他们能够记录在距自己非常近的距离内所发生的事件。探空气球有助于我们看到几乎整个南极洲，并记录下发生在距探空气球几百公里内所发生的事件。"

这种自然检测器如何运转？它建立在苏联理论学家古尔根·阿斯卡里扬早在1962年预言的好奇效应的基础之上。他注意到，超高能中微子将"打破"物理规律，飞越冰或盐这些不导电且特别致密的材料。在这些物质中，光运动的速度比粒子本身慢。

通常来说，粒子的类似"超光速"运动将引起闪光，即所谓的瓦维洛夫-切连科夫射线，但在超高能中微子的情况下，就像苏联理论学家古尔根·阿斯卡里扬所展示的那样，这个过程将产生带有特殊性质的无线电束和微波束。在南极洲境内，除了科考基地外，没有无线电辐射来源，这有助于学者们利用工作原理类似于普通无线电望远镜的强大的无线电天线，找到飞越厚冰层的超高能中微子的痕迹。

随着南极瞬态脉冲天线项目的扩大，这种无线电天线的尺寸也在不断增加，目前的第四个检测器版本是给人深刻印象的无线电接收机电池，高7米，质量达几百公斤。物理学家诺维科夫解释说，探空气球把这种天线综合体升到37千米的高空，在那里可以观察到几乎整个南极洲。

在俄罗斯学者们参加项目之前，就已经首次启用过这类天线，结果表明，它们所接收到的无线电信号包含有大量干扰成分，这与南极洲表面并不能达到理想的平整程度有关。物理学家诺维科夫解释说，需要以某种方式滤掉这种杂散无限电信号，以便试图找到南极瞬态脉冲天线所收集的数据中的超高能中微子。

由国立核能研究大学莫斯科工程物理学院和堪萨斯大学教授大卫·贝松（David Besson）带领的俄美物理家团队找到了这个问题的巧妙解决方案。学者们在试验各种无线电信号来源时，忽然找到了与那些问题作斗争的简单便宜方法，而这些问题曾经让南极瞬态脉冲天线同行们深受折磨。

原来，所有干扰都可以从数据中除去，以特别的周期性无线电信号"射击"南极洲表面，利用在按压压电元件时放电的煤气灶电子打火器，就可以产生无线电信号。为此需要再释放两个探空气球，它们应该排在南极瞬态脉冲天线不远处的后面，借助国立核能研究大学莫斯科工程物理学院贝松实验室中制造的光电倍增管来确定自己在空间中的位置。

物理学家诺维科夫介绍说："现在物理学家正在努力制造第三代信号校准系统，HiCal-3，这一系统将把压电元件加进去。与探空气球不同的是，它确实可被称为是上个世纪的遗产。实际上，它与游客旅行时随身携带生炉子的打火机没什么区别，也在类似条件下使用，唯一的例外是由发动机而非人来按下按钮。从另一方面来说，这种‘打火机'的表现极好，目前我们还没能成功为它选择一个替代品。"

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极圈内的生活

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南极瞬态脉冲天线最后一次运行始于去年12月，今年春天结束，当时俄美学者把氦从探空气球中释放出来，尔后前往那里考察，"撤出"硬盘，但把天线本身和飞行器留在原处。
物理学家诺维科夫解释说，这与以下事实有关：探空气球和天线重达几吨，只能借助于飞机运送它们，而在南极黑夜即将降临的条件下，飞机着陆极为复杂，是一个危险的任务。
他指出，学者们对新的数据收集寄予特别的希望，这些数据可能包含有首个暗示，物理学标准模型对超高能中微子的表现的描述不正确，或是证实物理学标准模型。

物理学家诺维科夫接着说："目前我们没有这样的数据，但我们还没有处理完探空气球最后一次飞行时所收集的所有数据。我们目前没能成功找到超高能中微子，但我们的检测器记录到了14种其它种类的宇宙射线通过大气。我们希望，2014年和2016年的科考数据有助于我们找到哪怕是一些超高能中微子，检验物理学标准模型。"

他补充说，发现超高能中微子有助于我们不仅着手寻找这种神秘粒子的来源，也在实际上赠给地球免费且不断运转的粒子加速器。加速器能够把它们驱逐到远在大型强子对撞机甚至是未来对撞机范围以外的这种速度和能量。

俄罗斯物理学家11月底计划重返南极洲，南极瞬态脉冲天线科研团队前往探空气球进行第二次科考，这次把探空气球撤退到"大地球上"，为下次飞行开始做准备。这似乎是个简单的过程，但实际上带有南极地区所独有的极大困难和问题。

物理学家诺维科夫介绍说："在南极洲与电子设备打交道不会非常愉快，有时简直很危险，原因是南极洲境内几乎到处都是零湿度。如果您触摸到几乎任何金属物体或者金属表面，那么几乎总是产生静电放电。不得不非常小心地处理微电路和集成电路块。"

他指出，天气条件和寒冷在释放探空气球时为他和同行们带来的不便要比静电少得多，但现在他们不得不前往南极地带科考，探空气球的天线和气囊位于那里，那里的天气条件将更为复杂。

物理学家诺维科夫希望，南极瞬态脉冲天线的新数据和第二次启用将有助于在观察在几十亿年间可能前往地球旅行的粒子时，解释宇宙一些最有意思也最令人不解的奥秘，揭示宇宙诞生的一些秘密。