আইসকিউব নিউট্রিনো অবজারভেটরি IceCube Neutrino Observatory explained in Bangla Ep 197

看宇宙天体不必只靠天空望远镜：南极冰下约一公里深处布置五千多个传感器，构成 IceCube 探测 neutrino。这种粒子穿过人体，探测极难。

Beta Decay 中 neutron 变成 proton 并放出 electron，按当时计算能量应固定，实验却发现能量有缺失。Pauli 为解释这一疑难，提出存在一种未知粒子。

Pauli 认为 Beta Decay 还放出一个电荷为零、质量接近零的看不见的粒子，计入后能量就能守恒。他最初叫它 neutron，Fermi 后改称 neutrino。

Pauli 虽提出 neutrino，却悲观地认为它可能永远无法被探测：它没有电荷，不受电磁力影响；没有色荷，不受强核力影响；只受引力和弱核力影响，而引力作用弱到可忽略。

唯一可能起作用的是弱核力，其作用范围极小，约 10 的负 18 次方米，远小于原子和原子核尺寸。因此 neutrino 几乎不与物质作用，也难以被探测。

中微子概念提出66年后首次被探测到，发现者是 Clyde Cowan 与 Frederick Reines。铀核裂变时每秒释放数万亿个反中微子，他们便用反中微子作为源来探测中微子。

在核反应堆旁放置盛有纯水的大罐作为质子源，并按需加入氯化镉以吸收中子。这里先铺垫贝塔衰变与逆贝塔衰变的概念，贝塔衰变分贝塔加衰变与贝塔减衰变两种。

质子变成中子时放出正电子和中微子，这是贝塔加衰变；中子变成质子时放出电子和反中微子，这是贝塔减衰变。逆贝塔衰变则是贝塔加衰变的逆过程：中微子与中子结合生成质子和电子。

探测反中微子用逆贝塔衰变：反中微子撞击质子产生中子和正电子，正电子与电子湮灭发出一次闪光，称为 prompt flash；同时产生的中子随后被氯化镉吸收。

中子被氯化镉吸收后放出伽马射线，形成比 prompt flash 晚约一微秒的第二次闪光，两次闪光的关联间接证明反中微子被捕获。约65年后该成果获诺贝尔奖，但 Cowan 已去世，奖项只授予在世的 Reines。

2008至2009年，Kamiokande 探测器从大麦哲伦云中一次超新星爆发里探测到一百个中微子，由此开启中微子天文学。随后又探测到太阳核聚变产生的中微子，相关成果获诺贝尔物理学奖。

随后出现一个问题：理论上应产生的中微子中，只有三分之一到达地球，这被称为 Solar Neutrino Problem。之后发现中微子并非一种，而是电子中微子、缪中微子与陶中微子三种味。

进一步发现一种味的中微子可以转变为另一种味，即电子中微子可变成缪中微子或陶中微子，这被称为 Neutrino Oscillation。它证明中微子并非完全不与物质作用，只是作用极弱。

中微子振荡解释了太阳中微子问题：太阳产生的电子中微子飞向地球途中因振荡改变味，因此到达地球的电子中微子只剩三分之一，其余已转成其他味的中微子。

巨型探测器在技术与资金上都困难，于是考虑借天然介质。但海水中钾-40同位素、浮游生物等造成大量噪声，使海水不适合作为探测介质。

Francis Halzen认为南极冰比海水适合探测neutrino上千倍，并于1988年提出该设想。他带小团队在南极建立实验性Amanda Project，证明冰能探测宇宙高能neutrino。

Amanda Project验证后，美国国家科学基金会拨款建造约一立方公里体积的IceCube Neutrino Observatory，2008年完工，耗资2.99亿美元。

传感器叫DOM即Digital Optical Modules，作用与灯泡相反：灯泡把电变成光，DOM把光变成电信号。顶部约500米不装传感器，因为上层冰含气泡，会带来噪声、妨碍捕捉neutrino信号。

本节说明 IceCube 的传感器布局与命名：在约一立方公里体积的冰中布置 DOM，整个装置命名为 IceCube Neutrino Observatory，用于探测高能宇宙 neutrino。

本节继续说明冰层条件：上层冰含气泡会产生噪声，因此传感器避开表层，只安装在深层纯净透明的冰中，以减少干扰、更好捕捉 neutrino 信号。

高能 muon neutrino 与 neutron 碰撞后变成 proton，同时产生带电荷的 muon；muon 在冰中发出比普通光更强的光，是 IceCube 探测中微子的关键信号。

带电粒子在介质中运动速度超过该介质中的光速时，会发出淡蓝色光，称为 Cherenkov Radiation；这类似飞机超过音速时产生的音爆，是 IceCube 捕捉中微子信号的基础。

带电 muon 在冰中行进时，沿途发出锥状光；IceCube 的光传感器记录哪些传感器先收到光、光强多大，据此判断 muon neutrino 来自哪个方向、能量有多高。

muon neutrino 在 IceCube 中留下一条长轨迹；electron neutrino 产生的高能电子走不远，只形成电磁 cascade，表现为球形或卵形光斑。

tau neutrino 与 neutron 碰撞产生极重的带电 tau 粒子，它刚生成就衰变；生成与衰变各产生一次光 cascade，形成称为 Double Bang 的独特光型。

反中微子同样会与冰中物质作用，产生与中微子类似的光信号，区别在于作用后产生的带电粒子电荷相反，因此可据此区分两者。

反 electron neutrino 把 proton 变成 neutron 并产生正电子，electron neutrino 则产生电子；反 muon neutrino 产生带正电的 muon，muon neutrino 产生带负电的 muon。

IceCube原想探测极远天体来的高能中微子，却遇到大量低能中微子干扰。于是用过滤方法把低能信号分离出去，只保留能量更高的中微子，并要求信号从探测器下方进入。

从下方来的中微子必须先穿过整颗地球才能到达探测器，因此这类中微子能量更高。除方向条件外还考虑其他因素，把从宇宙来的中微子筛选出来；IceCube并不直接探测中微子，而是探测它撞击后的效应。

高能宇宙射线带电，受磁场偏转，到达地球的方向已不能指回源头。中微子不带电、几乎不受影响，产生后沿直线前进，所以IceCube一旦探测到中微子，就能确定它来自哪个方向。

光子会被星系尘埃、气体和辐射吸收或散射，中微子却能不受阻挡地穿过，把宇宙深处剧烈事件的信息带出来。中微子因此与引力波、光子等结合，形成多信使天文学的新观测窗口。

IceCube运行两年后首次探测到来自太阳系外的高能中微子，得到两个事件，命名为Bert和Ernie，能量分别为1.04和1.14 PeV，比大型强子对撞机约高一百倍。

2007年11月IceCube探测到一个PeV级中微子，方向指向活动星系核或Blazar TXS 0506+056。随即用地面望远镜追踪该方向，这是首次把中微子与地面望远镜观测结合的多信使天文学成果。

2024年该事件被确认来自Glashow Resonance，这是该现象的首次实验证据。

这类极高能事件极其稀有，探测到一个后往往要等多年积累数据、反复分析才能确认其性质，因此每一项结论都来自长期等待与验证。

Glashow Resonance 此前只是理论，如今经 IceCube 得到实验证实，但只有极高能 neutrino 才可能触发。