南极冰立方完成首次重大升级 瑞典关键技术助力捕捉“幽灵粒子”
在南极冰盖深处，位于地球最南端——南极点（地理南极点）的冰立方（IceCube）中微子天文台，是全球最前沿的宇宙信使...
在南极冰盖深处，位于地球最南端——南极点（地理南极点）的冰立方（IceCube）中微子天文台，是全球最前沿的宇宙信使探测设施之一，专门用于探测来自外太空的幽灵粒子——中微子。如今，一项全面的升级工程已经完成，瑞典科学家在其中发挥了关键作用。此次升级有望为中微子天文学和粒子物理学带来突破性新发现。
冰立方（IceCube）坐落于阿蒙森-斯科特南极站（Amundsen–Scott South Pole Station），是一座非凡的“望远镜”。它利用分布在1000立方公里深层次南极冰层中的5000多个光学传感器，来捕捉源自宇宙深处以及地球大气层的几乎无质量的粒子——中微子。由于中微子几乎不与物质发生相互作用，它们能够穿透被遮挡的极端宇宙环境，为人类提供独一无二的观测窗口，并携带着其诞生地的珍贵信息。
2019年，美国国家科学基金会联合美国本土机构及国际合作伙伴，共同批准了冰立方（IceCube）升级项目的资金，旨在显著提升冰立方中微子天文台的科学探测能力。经过七年筹备与实施，冰立方升级项目现已完成部署，标志着自15年前初始探测器竣工以来，冰立方迎来的首次重大升级。
此次升级的核心是在现有由86根探测串组成的冰立方阵列底部中心区域，新增了6根排列紧密且高度仪器化的探测串。这些新串共配备了600多个新型、增强型光学传感器及校准设备，现已成功嵌入冰层深处。
乌普萨拉大学物理学副教授、冰立方合作组发言人埃琳·奥苏利文表示：“这次探测器性能的提升，为中微子天文学和粒子物理学领域的发现开辟了新路径，也是我们合作向前迈出的关键一步。”
南极冰的极端纯净特性，使其成为捕捉中微子与冰相互作用后产生的次级带电粒子所发出微弱切伦科夫辐射的理想介质。由来自全球各地450多名科学家组成的冰立方合作组，正是利用这些光信号的模式来反推中微子的能量与方向，进而追溯其来源。升级后实施的改进将让科学家能够更精确地研究中微子的基本属性，比如中微子振荡现象——这一过程允许大气中微子在传播中从一种“味”（类型）转变为另一种。这将使冰立方成为利用大气中微子进行振荡测量的首选实验平台。同时，这些改进还将帮助科学家更好地刻画冰层的光学和物理特性，从而不仅优化未来事件的记录，还能重新分析过去15年积累的存档数据。此外，升级将提升科学家确定宇宙射线成分的能力，并增强对来自银河系内超新星中微子的探测灵敏度。
瑞典团队在此次升级中扮演了技术和创新的核心角色。瑞典乌普萨拉大学和斯德哥尔摩大学的研究小组是南极中微子探测先驱项目——AMANDA（南极μ子和中微子探测阵列）的创始成员，该原型验证了在南极冰层中进行中微子天文学的可行性。瑞典后来为冰立方的建设做出了重要贡献，包括建造了约20%的探测器传感器模块，并开发了用于深冰的供电和通信电缆。对于此次冰立方升级，瑞典再次与位于胡迪克斯瓦尔的Hexatronic公司合作，该公司制造了所有升级所需的电缆。此外，斯德哥尔摩和乌普萨拉的研究人员还开发了可调节摄像头，用于将冰中的结构变化与校准数据关联起来。为此次升级专门在瑞典建造的六个摄像头模块也已部署在冰层中。它们被用来监测注入探测串的钻孔中水的冻结过程。
斯德哥尔摩大学物理学教授查德·芬利回忆道：“我们在安装探测串的同时就开始接收来自摄像头的第一批图像。看到它们能够在两公里深的冰川深处，在钻孔中的水重新冻结、形成巨大压力的极端条件下按预期工作，这种感觉无比奇妙。”
乌普萨拉大学资深教授奥尔加·博特纳补充道：“摄像头图像将用于描述孔内冰再冻结的特性以及探测串之间的整体冰况。深入理解传感器模块周围冰层的光学特性，对于精确重建中微子方向至关重要，而这正是中微子天文学的核心前提。”
此次升级也为其他学科的研究提供了契机。例如，研究团队与美国地质调查局合作，在南极冰层下安装了两台地震仪。这些是目前部署在冰层中最深的地震仪，将帮助科学家以前所未有的清晰度监测地震活动。这项研究对地震学家意义重大。同时，研究小组还采集了水样，供美国微生物学家研究深冰中可能存在的生命迹象。
冰立方（IceCube）坐落于阿蒙森-斯科特南极站（Amundsen–Scott South Pole Station），是一座非凡的“望远镜”。它利用分布在1000立方公里深层次南极冰层中的5000多个光学传感器，来捕捉源自宇宙深处以及地球大气层的几乎无质量的粒子——中微子。由于中微子几乎不与物质发生相互作用，它们能够穿透被遮挡的极端宇宙环境，为人类提供独一无二的观测窗口，并携带着其诞生地的珍贵信息。
2019年，美国国家科学基金会联合美国本土机构及国际合作伙伴，共同批准了冰立方（IceCube）升级项目的资金，旨在显著提升冰立方中微子天文台的科学探测能力。经过七年筹备与实施，冰立方升级项目现已完成部署，标志着自15年前初始探测器竣工以来，冰立方迎来的首次重大升级。
此次升级的核心是在现有由86根探测串组成的冰立方阵列底部中心区域，新增了6根排列紧密且高度仪器化的探测串。这些新串共配备了600多个新型、增强型光学传感器及校准设备，现已成功嵌入冰层深处。
乌普萨拉大学物理学副教授、冰立方合作组发言人埃琳·奥苏利文表示：“这次探测器性能的提升，为中微子天文学和粒子物理学领域的发现开辟了新路径，也是我们合作向前迈出的关键一步。”
南极冰的极端纯净特性，使其成为捕捉中微子与冰相互作用后产生的次级带电粒子所发出微弱切伦科夫辐射的理想介质。由来自全球各地450多名科学家组成的冰立方合作组，正是利用这些光信号的模式来反推中微子的能量与方向，进而追溯其来源。升级后实施的改进将让科学家能够更精确地研究中微子的基本属性，比如中微子振荡现象——这一过程允许大气中微子在传播中从一种“味”（类型）转变为另一种。这将使冰立方成为利用大气中微子进行振荡测量的首选实验平台。同时，这些改进还将帮助科学家更好地刻画冰层的光学和物理特性，从而不仅优化未来事件的记录，还能重新分析过去15年积累的存档数据。此外，升级将提升科学家确定宇宙射线成分的能力，并增强对来自银河系内超新星中微子的探测灵敏度。
瑞典团队在此次升级中扮演了技术和创新的核心角色。瑞典乌普萨拉大学和斯德哥尔摩大学的研究小组是南极中微子探测先驱项目——AMANDA（南极μ子和中微子探测阵列）的创始成员，该原型验证了在南极冰层中进行中微子天文学的可行性。瑞典后来为冰立方的建设做出了重要贡献，包括建造了约20%的探测器传感器模块，并开发了用于深冰的供电和通信电缆。对于此次冰立方升级，瑞典再次与位于胡迪克斯瓦尔的Hexatronic公司合作，该公司制造了所有升级所需的电缆。此外，斯德哥尔摩和乌普萨拉的研究人员还开发了可调节摄像头，用于将冰中的结构变化与校准数据关联起来。为此次升级专门在瑞典建造的六个摄像头模块也已部署在冰层中。它们被用来监测注入探测串的钻孔中水的冻结过程。
斯德哥尔摩大学物理学教授查德·芬利回忆道：“我们在安装探测串的同时就开始接收来自摄像头的第一批图像。看到它们能够在两公里深的冰川深处，在钻孔中的水重新冻结、形成巨大压力的极端条件下按预期工作，这种感觉无比奇妙。”
乌普萨拉大学资深教授奥尔加·博特纳补充道：“摄像头图像将用于描述孔内冰再冻结的特性以及探测串之间的整体冰况。深入理解传感器模块周围冰层的光学特性，对于精确重建中微子方向至关重要，而这正是中微子天文学的核心前提。”
此次升级也为其他学科的研究提供了契机。例如，研究团队与美国地质调查局合作，在南极冰层下安装了两台地震仪。这些是目前部署在冰层中最深的地震仪，将帮助科学家以前所未有的清晰度监测地震活动。这项研究对地震学家意义重大。同时，研究小组还采集了水样，供美国微生物学家研究深冰中可能存在的生命迹象。
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