背对背拥抱伴奏:揭秘南极冰下巨型望远镜:10年钻1.6公里深(图)

来源:百度文库 编辑:九乡新闻网 时间:2024/06/17 07:05:04

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据美国《连线》杂志报道,经过长达10年的钻洞作业,钻入南极冰层下方超过1英里(约合1.6公里)的深度,位于南极冰层下巨型中微子望远镜“冰立方”建造工作宣告结束。“冰立方”由三维传感器阵列构成,能够探测黑洞、超新星和恒星等宇宙天体释放出的中微子,是迄今最大的粒子探测器。
中微子的质量几乎为零,能够在不发生任何反应的情况下穿过物质,例如太阳和地球。它们经常猛烈撞击原子核心,形成“核粒子雨”。这一过程会释放出暗蓝色光痕迹,冰立方的5160个传感器能够对其进行追踪并具有极高的精确性。
冰立方项目负责人、美国威斯康星大学麦迪逊分校理论物理学家弗朗西斯·赫尔泽表示:“大约有一百万分之一的中微子闯入质子。我们正对这种核反应释放的能量和方向进行测量,用以绘制出一幅基于中微子的太空地图。”据赫尔泽介绍,这项中微子探测项目耗资1亿美元,是工程师和物理学家迄今为止尝试过的最富有挑战性的工作之一。他说:“任何人都无法保证这一项目一定会取得成功。如果我们提前就知道建造过程的复杂性,我们也许从一开始就选择放弃。”
钻机
盘管加热元件
增强型热水钻机
工程人员为冰立方钻一个洞大约需要两天时间,洞宽1.6英尺(约合48厘米),深1.5英里(约合2.41公里)。首先,他们利用盘管加热元件融化250英尺(约合76米)厚的积雪。为了钻透硬如岩石的冰层并向下钻1英里多的深度,他们使用了增强型热水钻机。冰冷的融水会流向地面,重新加热后再流回钻机。
冰管
冰管
传感器
技术人员将一串60个光敏模块下降到1.5英里深的冰管底部的水中。冻结之后,光敏模块将永远留在那里。传感器负责将数据传回地面处理中心。
传感器5160个数字光学模块中的最后一个
一套电子元件
5160个数字光学模块中的最后一个,正等待被放入南极冰层的钻洞中。每一个数字光学模块的下半部分装有一个光电倍增管,用于探测切伦科夫辐射发出的蓝光。蓝光由粒子以超光速穿过物质所致,同样的效应导致核反应堆堆芯中的水发出蓝光。一套电子元件负责将模拟信号转换成高通量数字信号,玻璃罩则负责保护模块免遭冰下的巨大压力破坏。
计算能力
座落于86个冰管上方的一个计算中心
冰管内装有大量传感器
座落于86个冰管上方的一个计算中心,冰管内装有大量传感器,负责处理所有冰立方数据。冰立方每天可探测到220次中微子活动,计算机必须过滤掉1亿个欺骗性信号,才能观察到这些活动。这些多余的活动由高能粒子(并未中微子)轰击地球大气层所致。每次符合要求的中微子活动的能量和方向都会被记录下来,而后通过卫星传给威斯康星大学麦迪逊分校。赫尔泽表示,最理想的数据往往来自于中微子穿过地球并从下方撞向冰层。
上世纪70年代至90年代初,物理学家认为在深海建造一个类似冰立方这样的中微子探测器所面临的挑战更小一些。据赫尔泽透露,经过几次关键性验证——包括AMANDA(南极μ介子及中微子探测器列阵)实验——他的同事放弃了选择深海的想法。冰立方就是在AMANDA实验基础上研制的。
他说:“只有在深海建造类似的探测器之后,我们才能进行比较。目前,相关努力已在进行之中,地点就选在地中海。有一点我希望说明一下,我们能够继续自己的实验。一旦部署完毕,探测器上方的计算中心便将开始数据处理工作。”
天空图
天空图
在冰立方没有完成建造前,科学家也能收集有关中微子的数据。这幅天空图历时两年左右绘制,涵盖了40组传感器记录下的中微子点源。赫尔泽表示,如果能够像预想中的一样正常运转下去,冰立方可以服役20年左右,探测中微子。“一旦将这些传感器放入冰中,你就再也没有触碰它们的可能。到目前为止,情况相当不错。我们只损失了很少的传感器。”
 

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