一位参与“冰立方”中微子探测器研究的科学家，揭秘斩获诺贝尔奖的技术

胡安·卡洛斯·迪亚斯·贝莱斯在威斯康星大学麦迪逊分校的冰立方粒子天体物理中心工作。新晋诺贝尔奖得主是他的上司。

“当我来到冰立方粒子天体物理中心的办公室时，每个人都在微笑，互相祝贺。”迪亚斯·贝莱斯说，“我们聚在会议室里，观看一场有弗朗西斯·哈尔岑参与的新闻发布会；他当时正在意大利参加会议。我们会等他回来再庆祝，在这期间继续开展中微子研究，因为这项工作永无止境。”

所谓这项工作，就是利用埋藏在一大块冰里的探测器，来探测一种难以捉摸的粒子。

“中微子是参与原子核内部反应的亚原子粒子。”迪亚斯·贝莱斯解释说，“它们可以由地球上的放射性衰变产生——西瓜和香蕉里也会产生，因为它们含有钾-40——我们自己的身体同样会产生中微子。”

不过，谁都察觉不到这一点。这些粒子与物质的相互作用非常弱。正如它们的名字所暗示的，中微子不带电荷，因此它们可以在太空中沿直线传播，不受磁场影响；它们不断穿过整个地球，却不与任何原子发生作用。“来自太阳的中微子数量极多，每秒钟都有10亿个穿过一枚拇指指甲。”迪亚斯·贝莱斯说。

哈尔岑团队研究的中微子并不是我们时刻都在无意识接触到的普通粒子。他们关注的是来自宇宙深处的高能中微子。这些宇宙粒子可能起源于超新星遗迹，甚至可能来自黑洞。这类现象产生的强磁场可以把质子等粒子加速到极高的能量。

“当这些粒子与由气体和等离子体组成的星际介质发生碰撞时，会产生伽马射线和中微子。”迪亚斯·贝莱斯说，“这就是为什么中微子是高能宇宙射线源的完美信使。我们目前探测到的最高能中微子来源来自活动星系核，其中包含超大质量黑洞。”

迪亚斯·贝莱斯所在的团队已在位于地理南极的“冰立方中微子天文台”探测到这种中微子——这座天文台与那位著名的说唱歌手没有关系。该天文台拥有一组深埋冰层的光学传感器，共5160个，覆盖1立方千米的冰体。

“南极冰盖在1.5千米深处非常透明，因此这些传感器能够探测到由缪子产生的光。缪子是中微子与冰原子发生罕见相互作用后产生的亚原子粒子。”迪亚斯·贝莱斯说。他还在2010年参与了冰立方项目的建造。该天文台于次年投入运行。

该项目的首要重大发现，是探测到来自太阳系以外天体物理源的中微子。其中一个最值得注意的来源是TXS 0506+056；在与其他天文台合作中，研究团队确认它伴随多种伽马射线、光学和射电信号。TXS 0506+056是一个高能耀变体——即一类极其明亮、中心存在超大质量黑洞并可能向地球发出喷流的活跃星系。研究人员又寻找具有类似特征的其他天体，并证实这一类来源能够产生高能中微子。最近，他们还能把银河系本身看作一个弥散的中微子来源。

除天文学外，冰立方还深刻帮助人们理解这类粒子的本质和性质。例如，已知有三类中微子；去年的诺贝尔物理学奖得主发现，中微子在传播过程中可以从一类转变为另一类（即中微子振荡）。冰立方使这一现象的测量越来越精确。

“另一个研究领域是宇宙射线，这也是我专注的方向。”迪亚斯·贝莱斯说，“我们发现它们并不是从所有方向均匀到达，而是存在方向偏好，这能告诉我们其源头在银河系中的分布情况。”

宇宙射线由质子和较重原子的原子核组成，在项目的数据中占很大比例。“探测中微子就像在干草堆里寻找一根针。”这位研究人员说，“冰立方每探测到一个中微子，就会探测到超过100万个由宇宙射线产生的缪子。”

迪亚斯·贝莱斯担任冰立方合作组的产品协调人，负责实验数据处理和模拟数据生产。“这包括每两毫秒计算一次被探测粒子的到达方向、能量和类型。”他说，“我们还需要以相似速率模拟宇宙射线和中微子。这两项任务都需要分布在全球各地的高性能计算网络，合计约有一万个CPU核心和一千个GPU。”

这位研究人员指出，冰立方项目虽然基地在南极、总部在威斯康星州，但它是来自14个国家、58个机构的450人的国际合作。许多参与者是硕士和博士生；尽管该奖项上只写着一位科学家的名字，但这个名字背后是几十位同事的工作。

“值得一提的是，弗朗西斯不仅是一位伟大的人物和领导者，也是一位非常友善、慷慨的人。”迪亚斯·贝莱斯说，“总的来说，我们把他更多地视为同事，而不是老板。事实上，如果没有他的热情和投入，这个实验不可能成功。”

本文原载于《连线》西班牙语版，由西班牙文翻译而来。