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科学家利用来自太空的神秘粒子给地球称重

2019-01-23 11:01 新浪科技
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新浪科技讯 北京时间12月17日消息,据国外媒体报道,在给地球称重并探测地球内部结构的问题上,科学家必须借助一些间接的方法。通常而言,他们会利用声波和引力等来进行计算。不过,有一个研究团队想到了一种全新的方法:通过测量穿过地球的神秘宇宙粒子来获得地球的重量。

来自西班牙的研究人员利用穿过地球的中微子来计算地球的质量和密度。虽然这一方法目前还处于最初阶段,但有朝一日或许会成为非常实用的工具。而且,研究人员获得的结果相当接近目前主流方法计算的数据。

“我们的结果证明了用这种方法来研究地球内部结构是可行的,可以作为传统地球物理学方法的补充,”研究作者在发表于《自然-物理学》(Nature Physics)期刊的论文中写道。

粒子物理学是研究粒子以及它们之间相互作用的物理学分支。我们最常接触到的粒子是质子、中子和电子,这些粒子构成了原子,它们之间通过引力、电磁力和强核力(使核子结合成原子核的基本作用力)、弱核力(发生在原子核内极小的尺度上,并且是某些放射性衰变的部分原因)发生相互作用。

中微子是宇宙中数量最丰富的粒子之一(仅次于光子),但非常难以探测,因为它们只与弱核力相互作用。来自太阳和更远太空的中微子不断地轰击地球,它们的相互作用如此微弱,以至于探测器通常建造在地底深处,以屏蔽宇宙射线和其他背景辐射,并检测穿过整个地球的中微子。

与此同时,许多地球物理学家也在尝试研究地球的内部结构,包括地核、地幔以及地球磁场的行为。他们通常也只能通过间接方法进行测量,观察声波穿过地球时的变化,或者探测引力的局部变化。参与这项新研究的物理学家设想,既然我们已经有了这些中微子探测器,而中微子也在不断地穿过地球,那为什么不尝试利用这些中微子来测量地球呢?

他们开始付诸实践。利用南极冰立方中微子观测站(IceCube,位于阿蒙森-斯科特南极站)的数据,研究人员测量了从不同角度撞击探测器的中微子数量,其中直接向上穿过探测器的中微子比其他角度的中微子经过更多部分的地球。他们将这一数据与如果地球不在探测器下方时将探测到的中微子数量进行了比较。

通过这些数据,研究人员测量出了地球的质量,尽管还不是很精确,但得到的数字与目前用引力方法获得的结果近似。他们还测量了地核的质量,结果比目前广泛接受的数值大一些。他们还发现,地核的密度比地球更大。当然,我们已经知道了这一点,但通过从太空穿过地球的神秘粒子来再次验证也挺有意思的。

研究人员非常坦诚他们没有用到大量数据的事实,或许再过10多年,有了来自IceCube和其他探测器的更多数据,这一方法将变得更有效。巴黎第七大学的研究者Ve?ronique Van Elewyck并未参与此次研究,她在《自然》杂志的一篇评论中指出,研究人员仍然不知道有多少中微子轰击地球,并且需要更多地了解冰的光学特性,以减少实验的不确定性。她还写道,关于中微子如何更普遍地与物质相互作用的问题,目前仍存在着许多实验上的不确定性。

随着数据越来越丰富,以及相关实验的增多(可能还要再花上十年或二十年时间),中微子或许真的能成为测量地球内部结构的有用工具。

冰立方中微子观测站

冰立方中微子观测站(IceCube)有着目前全球最大的中微子探测器,由美国威斯康辛大学主导,集合了来自十多个国家超过300名科学家。这是一个位于南极冰层之下的观测站,拥有数千个探测器,分布范围超过1立方千米。

IceCube建成于2019-01-23,设计目的是探测能量约1TeV的中微子,研究宇宙中能量极高的天文物理现象。2013年11月,研究团队宣布IceCube观测到28个可能来自太阳系以外的中微子。2019-01-23,IceCube第一次成功确认高能宇宙中微子的来源。

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