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6 t$ E5 W! \8 D2 ] 大多数天文学家跋涉到山顶研究恒星，而一群物理学家正在海底用探测器探索宇宙的奥秘。 # {, }! k5 l3 k1 ?
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在远离加拿大不列颠哥伦比亚省海岸的水下深处，是寒冷而黑暗的世界。在那里，从海底沙子上升起的一组海下浮标，用系泊缆牢牢固定在海底。沿着每条绳索，每隔一段距离都绑着一个大玻璃球，里面装有灵敏的光探测仪器。 6 N6 W/ L. I' t3 i
建造这些深海仪器的科学家不是生物学家或海洋学家，他们是物理学家和天文学家。在寒冷的太平洋海浪下2公里处，他们希望捕捉到那些狡猾的、形状变化的、几乎没有质量的中微子粒子，这些粒子可能会改变我们对宇宙的看法。
; I* i5 e2 B& z+ S- Y 粒子衰变有规律地产生中到低能中微子，物理学家大部分时间都在观察这种中微子。每隔一段时间就会探测到一种不同的中微子，即“高能宇宙中微子”。 3 t4 \, m: j2 f9 \* L8 q
科学家们从这些超能力粒子的强大能量中了解到，它们一定是被银河系外的极端物体加速的。
$ i( t- u e' a2 v8 ^ L* n2 M! n “这些能量真的很难想象，”阿尔伯塔大学的物理学家兼助理教授胡安巴勃罗亚内兹加尔扎说，“当你考虑到如何在实验室中加速粒子，比如大型强子对撞机，并插入宇宙中的典型磁场时，就会意识到，你需要一整个星系大小的‘加速器’来激发中微子。” ; e6 F1 Z) i5 K, L* f3 J$ Q
利用巨大的专门探测器，科学家们刚刚开始查明这些粒子的一些银河外起源。弄清楚高能中微子的来源，有助于解开关于产生中微子巨型宇宙加速器的长期谜团，解决关于宇宙射线的未解答问题，甚至可以提供关于暗物质起源的线索。 8 ^% U3 U% A& M% _9 @* B
太平洋上的仪器是一项名为“太平洋中微子实验”(P-ONE)的拟议实验的第一步，科学家们希望这项实验能帮助他们揭开宇宙中微子的起源。
3 [1 \- i5 c1 H6 j6 e" G N 宇宙信使
# e+ e2 d e4 o8 z 由于太空的广阔和随处可见的阻挡视线的尘云，大部分宇宙都被光子望远镜所掩盖。相反，天文学家寻找信使粒子，如中微子，以了解更多关于这些暗区域的信息，这些暗区域包括宇宙中一些能量最高的物体。中微子是理想的宇宙信使，它们与其他粒子的有限相互作用和无电荷状态，意味着它们可以在不受磁场和尘云影响的空间中穿行。然而，这也意味着当它们到达地球时很难被捕捉到。 3 R6 I J; u f- y, j5 u. N
科学家们已经开发出了goliath探测器，希望能提高这种可能性。即便如此，捕捉高能宇宙中微子的机会还是微乎其微。在其12年的运行中，位于南极的冰立方探测器是世界上最重要的宇宙中微子观测站之一，其探测体积为立方公里，但只探测到了几百个。
: p! x. [% @$ o$ `" x% c0 s 慕尼黑技术大学的研究科学家丽莎舒马赫表示：“虽然有了来自冰立方的10多年数据，但我们仍然不知道大部分宇宙高能中的微子源是什么。” / z; @! |" P7 D: z5 L3 o3 B0 t
我们确实知道其中一些。2018年，冰立方天文台首次确定了高能中微子的来源：37亿光年外的耀变体(blazar)。耀变体是一个由黑洞驱动的星系核心，黑洞能以接近光速的速度加速巨大喷流中的粒子。在2022年，冰立方宣布在距离4700万光年的另一个活跃星系中发现了第二个源，科学家认为中微子和其他物质在一个巨大黑洞周围加速。
4 y; K1 [% p; d+ a+ D7 ? 虽然活跃星系现在已被证实是一个源，但统计分析表明，单靠它们无法解释所有高能天体物理中微子。“我们需要更多的数据，”慕尼黑技术大学教授Elisa Resconi说，她曾与冰立方合作，“统计数据的问题是目前限制我们的因素。”
' c P4 u$ j- } a7 ?: o 黑暗中的一盏灯 4 @! n2 D+ u+ p2 J6 @% C
为了收集更多的数据，像雷斯科尼这样的科学家一直在构思新的中微子观测站。雷斯科尼率先发起了新的大规模P-ONE实验。该实验的目标是沿着几条1公里长的线路建造数百个中微子探测器，旨在补充冰立方。从它位于东北太平洋的位置上，P-ONE可以从冰立方看不到的宇宙不同地方捕获中微子。 $ B& f* o$ d3 G- j
雷斯科尼表示：“我们的想法是要有一台类似于冰立方的望远镜，随着过去十年技术的进步，这台望远镜会有所改进。我们的目标是真正补充其他探测器，因为我们希望能够合作并汇集我们的数据。”
* {' A8 \1 P% Y2 ?& J- |! V1 S P-ONE将以与冰立方多年来相同的方式探测中微子，寻找中微子在水或冰等介质中撞击其他粒子时产生的微小条纹。 : r- P% y5 B# G7 B
为了阻挡其他可以模拟这些微小条纹的大气粒子，科学家们经常在地下安装中微子探测器。一些中微子探测器，如加拿大的萨德伯里中微子观测站和日本的超级神冈，都是在以前或现在正在运营的矿井中建造的。其他如俄罗斯的贝加尔深水下中微子望远镜和意大利与法国海岸的未来立方公里中微子望远镜，都是在水下深处建造的。P-ONE科学家希望增加并扩大水上舰队的覆盖范围。 % ?( {1 u. N4 T5 Q4 [9 W# ?
P-ONE在水中的位置使它比冰立方更具优势，冰立方位于2000米深的冰川中。虽然南极的冰是高度透明的，但它的晶体结构阻止了光束沿着完美的直线传播。由于条纹的角度和方向用于识别中微子来自天空中的何处，这种扩散使得冰立方更难识别宇宙中微子工厂。 9 i& d; O& ~/ L. s5 L( \* u
舒马赫表示：“探测器用P-ONE测量的总光量将比冰立方少一点，但我们可以更好地重建光的来源。”
) }6 l) x# |6 A! T$ M 中微子、生物发光及其它 & I9 e0 P/ s- [2 x
科学家们建议在加拿大海洋网络海洋观测站的主干上建造P-ONE，这是世界上最大的永久性海洋基础设施。如果他们能够完成，P-ONE科学家将可以接入已经安装在海底的数百公里光缆和变电站网络，从而节省实验时间和金钱。 $ R" }$ n1 y8 X) h; ]8 B
作为回馈，P-ONE也可以在海洋学和生物学领域打开新的大门。额外的探测器，如水听器或氧传感器，可以连接到P-ONE线路上，以测量海洋的生命体征，并进行声学断层扫描，这使用低频信号测量大区域的洋流和温度。由于P-ONE的探测器是光敏的，它们也可以用来研究深海生物发光活动的长期变化。
$ x! v5 | }6 U' c! W 2018年，项目科学家部署了STRAW-a，这是一个旨在测试P-ONE实验场地适用性的仪表组，与2021年完成测试的STRAW-b一起。前期任务证明，该地点清澈的水域将成为中微子探测的良好场所。现在，科学家们正在为下一阶段做准备：安装一个原型仪器，计划于2024年春季进行。 5 {9 g, x6 z' }' A# u
在原型阶段，将至少有三条线路安装在海底，每条线路配备20个探测器。这将使科学家能够捕获30个左右的大气中微子，足以校准并提供概念证明。如果一切顺利，P-ONE最终将由70条1000米长的线路组成，分布在一平方公里的海洋上。如果对这个项目的兴趣增加了，那么这个实验是非常可扩展的。
; g2 K/ b7 f+ x( f- E" w% b+ c 雷斯科尼表示：“有了P-ONE、冰立方和其他正在研制中的探测器，我们真的可以正确地进行中微子天文学。我们将能够精确定位许多物体，并进行种群研究，这可以告诉我们哪些物体产生的中微子最多。” 0 a; D* h2 Z7 {$ s# [/ p7 m
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