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极地多维数据集 座落在南极上方的光电探测器阵列

点击次数:2017-11-29 09:34:34【打印】【关闭】

中微子是最丰富的粒子之一,每秒钟都有数万亿次通过。但是它们很难掌握,所以我们无法控制它们的线路或加速它们。它们也几乎没有质量,几乎不与其他物质相互作用,所以很难

中微子是最丰富的粒子之一,每秒钟都有数万亿次通过。但是它们很难掌握,所以我们无法控制它们的线路或加速它们。它们也几乎没有质量,几乎不与其他物质相互作用,所以很难察觉。所有这些都意味着我们的物理理论对中微子的许多预言都是难以测试的。

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位于南极的IceCube探测器现在已经掌握了物理学标准设备的一部分数据,该设备描述了基本粒子的特性及其相互作用。根据数据表明,随着中微子能量的增加,中微子应该更容易与其他粒子相互作用。为了验证这一点,IceCube团队使用的粒子加速器能够制造中微子成千上万倍的目标。
IceCube由埋在南极冰下的数百个探测器组成。这些探测器拾起在冰上移动的粒子。在某些情况下,IceCube可能会检测到一些粒子和光子的飞溅,当某些物体撞入冰中的一个原子时。在其他情况下粒子只是推动原子,释放一些光子。虽然没有中微子来源指向IceCube。相反它依赖于中微子的自然来源。其中有些是在太空中产生的,而且是地球之外。其他的则是由于宇宙射线撞击大气而产生的。

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在这两种情况下,与我们的粒子加速器可以做的最好的能量相比,它们的能量可以是巨大的。对于这项新的研究工作,其中数据包括能量高达980兆电子伏特的中微子。相比之下,大型强子对撞机加速其质子只有6.5TeV ,而且只有较小的加速器被用来产生中微子。
由于这些巨大的能量,IceCube很适合预测,中微子更容易与高能物质相互作用。(物理学家把相互作用的概率称为“截面”。)虽然我们用一些粒子加速器产生的中微子对它进行了测试,但这些测试只覆盖了谱线低端的一个窄范围的能量。虽然这些测试与标准模型一致,但所涉及的能量从来没有足够高的横截面改变。

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然而,如果IceCube只依赖与探测器内物质相互作用的中微子,那么需要几年的时间来建立足够的碰撞才能进行测试。相反,IceCube团队使用了整个地球区域。它能够探测通过探测器时所经过的路径。所以这个团队能够通过进入侧面来识别通过探测器的中微子。这些中微子会在南极切线地切入地球,所以很少有物质相互作用。
团队将相切的中微子与通过地球以不同角度出现的中微子进行了比较。这些与从下面到达的粒子进行比较,因此在途中通过地球。在低能量的情况下,中微子的相互作用是非常罕见的,这一点没什么区别。然而,在足够高的能量下,地球所产生的应该提供相互作用频率的测试。
正如所预测的那样,通过地球到达的中微子数量与切向方向的中微子数量相比下降了。他们的频率进一步下降,作为能源的产物。虽然还有更多的中微子到达比标准模型预测的更多,实验的不确定性很大,结果是完全符合我们的理论。

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在这里所涉及的能量范围内,随着能量的增加,相互作用的增加呈线性增长。但数据中有一点曲线。这是所期望的,因为中微子通过称为W和Z玻色子的两个粒子与常规物质相互作用。它们的质量与线性关系稍有偏差。我们需要更多的数据才能真正知道,但是新的分析只能从IceCube获得一年的数据才能完成,而且我们还需要六年的时间才能完成。所以期待尽快听到更多。
能量范围的高端在980TeV,简单地说事实上在能量以上的中微子很少。再次有了更多的数据以后,我们应该能够进一步扩展这一分析。这是相当重要的,但是因为有一些假设的想法就是额外的维度,未被发现的粒子称为leptoquarks ,这些都是要求高能量的相互作用的速度急剧增加。所以可能会关闭测试其中的一些想法。

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同时,IceCube团队也一直在和地质学家沟通交流。在一个宣布他们的结果的视频中,他们注意到通过地球的一些中微子将穿过核心,而其他的中微子将通过曲线形而避开它。而且有了足够的数据,这将使我们能够了解地球核心的物质属性,这是难以取样的东西。 

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