秘鲁山脉成为巨大粒子探测器

安第斯山脉作为物理实验室

在秘鲁安第斯山脉的高处,深峡谷穿过古老的岩石,空气稀薄如丝,物理学家们正在将整座山脉变成他们所谓的"不可能的粒子探测器"。该项目利用安第斯峡谷的自然几何结构,捕捉宇宙中最具能量的粒子——这些宇宙信使已经旅行了数十亿光年,携带有关宇宙中最猛烈事件的信息。

该倡议由物理学家Carlos Arguelles-Delgado和国际合作者团队领导,代表了高能粒子物理学中一个基本挑战的创意解决方案:检测能量如此之高以至于没有人造加速器能产生它们的粒子。这些超高能中微子和宇宙射线的能量比CERN的Large Hadron Collider能达到的任何能量都高数百万倍。

为什么山脉成为更好的探测器

常规粒子探测器埋在地下深处——在矿山中、山脉下或南极冰层下——以保护它们免受持续降雨的低能宇宙射线的影响,这些低能宇宙射线会淹没它们的仪器。例如,位于南极的IceCube Neutrino Observatory使用一立方公里的南极冰作为其检测介质。

秘鲁的方法采取了不同的策略。团队不是将探测器埋在地下,而是在深峡谷中放置仪器,周围的山岩作为天然过滤器。从某些角度进入的粒子必须穿过数公里的岩石,这吸收除中微子和少数其他能够穿透密集物质的粒子之外的一切。峡谷几何有效地创建了一个方向过滤器,允许物理学家研究来自天空特定区域的粒子。

与专门建造的地下实验室相比,这种自然结构提供了几个优势。有效检测体积巨大——远大于任何挖掘的洞穴可能提供的。成本仅是建造等效地下设施的一小部分。安第斯山脉的高海拔意味着探测器上方的大气更稀薄,减少了一个背景噪声源。

寻猎量子重力

科学奖项的风险是不亚于证明重力具有量子性质。广义相对论将重力描述为时空的曲率——一种光滑、连续的现象。相比之下,量子力学将其他基本力描述为由离散粒子中介。将这两个框架统一为量子重力理论是物理学中最大的未解决问题之一。

超高能宇宙粒子可能会为量子重力效应提供第一个实验证据。在足够高的能量下,某些量子重力理论预测的时空颗粒结构应该在粒子如何跨越宇宙距离传播的方式中产生可测量的扭曲。这些扭曲将表现为到达时间或能量谱中的微小变化,山地探测器就是为了测量这些变化而设计的。

以前检测量子重力签名的尝试受到地面加速器可接近的能量范围和现有宇宙射线观测站灵敏度的限制。秘鲁探测器能够以精确的方向信息捕获超高能事件的能力,可能会将灵敏度推入以前未开发的领域。

构建探测器阵列

探测器阵列由闪烁板、水Cherenkov罐和无线电天线组成,这些被放置在峡谷系统的战略位置。当高能粒子与岩石或空气相互作用时,它会产生次级粒子级联——空气淋浴——仪器可以检测和重建。通过关联多个探测器站的信号,团队可以确定原始粒子的能量、方向和身份。

在崎岖的安第斯地形中安装呈现了自己的挑战。设备必须用骡子运送到缺乏道路或电力的偏远地点。太阳能电池板和电池系统为仪器供电,卫星链接将数据传输到分析中心。尽管存在这些后勤困难,团队已经部署了原型站点并记录了他们的第一个宇宙射线事件。

对宇宙的新窗口

除了量子重力,山地探测器为多信使天文学开辟了新的可能性——使用不同类型的信号同时研究宇宙事件的做法。当中子星合并或超新星发生时,它会产生引力波、电磁辐射和中微子。以精确的时序和方向信息检测这些事件的中微子成分可以帮助天文学家精确定位源并理解极端环境的物理。

该项目还充当了一个模型,展示了创意利用自然地理如何可以补充甚至替代昂贵的专门科学基础设施。随着物理学推进到超过加速器能达到的能量范围,宇宙本身成为实验室,而地球的地质成为仪器。

本文基于《新科学家》的报道。阅读原文。