冰立方天文台：即将公布8年研究成果，在地球内部寻找暗物质！

暗物质仍然是科学界最大的谜团之一，尽管几十年来天文间接证据证明了暗物质的存在，但还没有人能够在离地球更近的地方找到任何暗物质的迹象。为了做到这一点，已经做出了数十项努力，其中最突出的一项达到了一个里程碑，发布和分析了八年的数据。冰立方中微子天文台将很快发布这八年的观测研究结果，现在让我们先深入了解冰立方到底在寻找什么。关于暗物质到底是什么的理论比比皆是，其中有几种理论聚焦于暗物质是一种粒子的观点。

其中最突出的是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。WIMP背后的物理原理是冰立方实验的主要驱动力之一。中微子探测器可能看起来像是寻找WIMP的一种奇怪方式，但它背后的物理原理众所周知。当穿行于一大团“标准模型”物质（即我们认为的“正常”粒子）时，WIMPS可能会失去能量，并最终受到所经过物体的引力约束。行星或太阳都是如此，因此，地球中心可能藏匿着大量看不见的弱相互作用粒子。直接检测任何这样的WIMP分组是不可能的。

然而，科学家们可以通过测量中微子来看到明显的迹象。中微子本身以难以探测闻名，它是由一些理论产生的，即WIMP通过与标准粒子相互作用而湮灭。由于中微子很难确定，在地球中心的任何质量WIMP中，由这一过程产生的中微子几乎能够穿过地球进入太空。但在此过程中，它们可能会被像冰立方这样的中微子探测器探测到。冰立方位于地理南极，由86串数字光学模块组成，其中包含5160个单独的光学传感器，当任何中微子与另一个粒子相互作用时，这些传感器将探测到切伦科夫辐射产生的一种光。

暗物质与中微子

通过三角测量光脉冲的亮度和寿命，科学家们就可以追溯中微子的移动速度和方向。降噪是冰立方的一个关键组成部分，这一部分是通过隔离来实现的（探测阵列不仅位于地球上最孤立的地点之一）而且还埋藏在1450米厚的冰层下，纵深几乎有一公里多。该策略的另一部分是基于模拟，特别是估计和消除背景噪声。冰立方研究小组由来自世界各地的科学家组成，他们使用背景噪音的模拟来努力消除错误检测。

此外，还能够消除一些与WIMP无关的中微子来源，比如当系统探测到一个中微子正在向地核移动而不是远离地核时。这些类型的中微子很可能是由宇宙射线撞击地球大气层时形成的“大气中微子”造成。所有这些努力都是为了一项相对简单的任务--试图弄清楚WIMP到底是什么。用粒子物理学的语言来说，这意味着试图限制它们的“质量”。就像粒子物理学中的许多东西一样，它的测量方式与简单地将某物放在天平上略有不同。

通过测量“电子伏特”，研究人员观察了10GeV(千兆电子伏特)到10TeV(兆兆电子伏特)之间的潜在质量。这些范围包括比其他众所周知的亚原子粒子“重”几个数量级的质量，如希格斯玻色子(125GeV)或电子(0.511 MeV)。这项研究试图缩小WIMP的另一个特征是“湮灭率”，即WIMP实际上湮灭自己并创造出冰立方可以探测到的中微子频率。利用一些先进的统计分析，研究人员还得出了不同灭绝可能性范围的统计概率。

即使到目前为止已经完成了所有的工作，最终结果还没有得到充分的分析。因此，所有这些结果对寻找WIMP意味着什么仍然是一个悬而未决的问题。冰立方团队预计结果将“很快公布”。更重要的是，目前分析的数据只有2011-2018年，所以还有三年的数据还没有纳入这项分析。为了梳理出暗物质到底是什么，所有工作都是值得的。毕竟，它仍然是粒子物理学中最大的未解释现象之一。科学家们能够完全理解它的唯一方法是：在未来几年里收集冰立方等仪器的数据。

博科园｜文：Andy Tomaswick/Universe Today

参考期刊《arXiv》

Cite：arXiv:2107.11244

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