芝加哥大學物理學家Abby Vieregg正在領導一項國際實驗，該實驗主要是利用南極洲的冰蓋作為一個巨大的探測器來尋找來自外太空的極高能量粒子。最近，美國宇航局（NASA）批准了這個價值2000萬美元的項目，它將建造一個儀器，在南極上空乘坐氣球飛行，於2024年12月發射。
“我們正在尋找宇宙中能量最高的中微子，”芝加哥大學物理系副教授Vieregg說。“它們是在宇宙中能量最強、最極端的地方產生的，這些中微子提供了對這些地方的獨特窺視。找到其中的一個或幾個可以讓我們了解關於宇宙的全新事物。”
這個由12個機構組成的國際合作項目將建立一個附屬於高空氣球的無線電探測器，該氣球將由NASA發射，在南極洲12萬英尺上空飛行，搜索來自中微子的信號。這個開創性的項目被稱為PUEO，即超高能量觀測的有效載荷的簡稱。(它的名字與夏威夷唯一現存的貓頭鷹同名，PUEO的前身實驗就誕生於此）。
觀察宇宙的一種美麗方式
中微子通常被稱為“幽靈 ”粒子，因為它們很少與物質發生作用。每秒鐘都有數萬個中微子無害地穿過你的身體。由於它們可以傳播巨大的距離而不被扭曲或偏離，中微子可以作為關於宇宙中其他地方發生的事情的獨特線索–包括它們產生的宇宙碰撞、星系和黑洞。
Vieregg說：“中微子是觀察宇宙的一種美麗方式，因為它們不受阻礙地穿越空間。它們可以來自非常遙遠的地方，而且它們在途中不會被擾亂，所以它們會指向它們的來源地。”
科學家們已經檢測到一些來自外太空的此類中微子進入地球大氣層。但他們認為，外面還有更多的中微子，它們具有極高的能量–甚至比歐洲大型強子對撞機正在加速的粒子還要高几個數量級–而且還從未被探測到。這些中微子可以告訴我們關於宇宙中最極端的事件。
這些中微子很少與其他形式的物質發生相互作用，因此Vieregg必須建造一個巨大的探測器來捕捉它們。或者她可以使用一個已經存在的探測器：南極洲頂部的冰蓋。
Vieregg說：“冰蓋是完美的–一個均勻的、密集的、輻射透明的塊狀物，橫跨數百萬平方公里。這幾乎就像我們設計的一樣。”
如果這些高能中微子中的一個穿過地球，有可能會撞上南極洲冰層內的一個原子。這種碰撞會產生穿過冰層的無線電波。這種無線電信號就是PUEO在漂浮在南極洲上空時要探測到的東西。
要做到這一點，它需要一些非常非常特殊的設備。
PUEO是一項名為ANITA的任務的下一代，該任務基於夏威夷大學，在2006年至2016年期間四次利用NASA的氣球飛越南極，尋找類似的中微子。然而，PUEO將有一個更強大的探測器。
新的探測器利用了一種古老的天文學技巧的力量–一種叫做干涉測量的技術，它結合了來自多個望遠鏡的信號。PUEO到處都是無線電天線，一個中央數據採集系統將合併和分析這些信號，以形成一個更強大的信號。
一個更強的信號將是一個重大的飛躍，因為它將幫助科學家從來自四面八方的噪音中挑選出重要的信號。“每分鐘都有數千兆字節的數據進入探測器，我們期望在數十億個事件中最多有幾個是中微子，”芝加哥大學研究科學家Cosmin Deaconu說，他正在研究PUEO的軟件。“你不可能把所有的數據都寫入磁盤，所以我們必須設計一個程序來快速決定哪些信號要保留，哪些要拋棄。”
許多常見的信號看起來像中微子，但其實不是。這些信號的範圍包括從衛星傳輸到某人使用的打火機。Deaconu說：“至少在南極洲，只有幾個地方會有人類產生這些信號，所以排除這些信號比較容易。但是我們甚至需要考慮到靜電等因素。”
Vieregg和團隊在兩個實驗中測試了地面干涉相控陣的想法：一個是2018年在南極的ARA，另一個是2021年夏天在格陵蘭的RNO-G。兩項實驗都顯示出比以前的設計在性能上有很大的飛躍–這使得PUEO的空中探測器更有希望。Vieregg說：“PUEO的靈敏度將比ANITA以前的所有飛行加起來要好10倍。”
在接下來的幾個月里，該團隊將為PUEO建立原型並最終確定設計。一旦布局完成，全美各地機構的小型團隊將建造儀器的一部分，然後在芝加哥大學進行組裝和測試。“例如，我們想確保它能夠處理近空間的真空，”芝加哥大學研究科學家Eric Oberla說，他正在建造PUEO的硬件。“當沒有空氣將其帶走時，散熱就更難了，這對電子產品來說是個問題，所以我們將在校園內的真空室進行測試，隨後在儀器集成活動期間在美國宇航局的一個大型真空室進行測試。”
從那裡，PUEO將被運到位於德克薩斯州巴勒斯坦的NASA設施進行最後測試，然後被送往南極洲的發射站。
根據天氣條件，該探測器可能會飛行一個月或更長時間，收集數據並將其傳送回地面，科學家們將在那裡梳理這些數據，尋找有史以來第一次高能中微子探測的證據。
“我們很高興PUEO平流層氣球任務被列入Pioneers任務的初始組，並期待着它將返回的偉大科學，”NASA的天體物理學Pioneers計劃負責人Michael Garcia說，該計劃為該實驗提供資金。
Pioneers計劃允許科學家們“有遠大的夢想”，Vieregg說。“我們可以說，‘如果我們可以製造任何我們想要的東西，我們可以製造什麼？’”
“這是一個發現實驗，意味着沒有什麼是可以保證的，”她補充說：“但所有的跡象都表明，那裡有一些東西可以讓我們撿到–即使是一些中微子也會是一個令人驚奇的科學發現。”