地球上最雄心勃勃、最极端的实验之一于 2010 年在南极启动。冰立方是一个埋藏在极地冰层中的巨型粒子探测器，它捕获难以捉摸的高能中微子——基本粒子，几乎可以穿透它们接触到的一切物质。这个项目由我担任首席研究员，旨在利用中微子研究遥远的宇宙现象——特别是被认为产生被称为宇宙射线的带电粒子的神秘而剧烈的过程，宇宙射线不断轰击地球。
我们预计冰立方很少捕获超高能中微子。这些粒子几乎没有质量，也没有电荷（这就是它们很少与其他粒子反应的原因），并且它们以接近光速的速度传播。一旦它们到达地球，大多数中微子不会停留。它们会直接穿过数千公里的岩石——甚至穿过地球坚固的铁核——然后继续前进。
由于这些困难，我们对最初几年（探测器仍在建造中）获得的数据没有发现任何异常情况并不感到惊讶。但在 2012 年，情况发生了变化。
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有一天，在团队成员的例行电话会议期间，我们的屏幕上亮起了我们从未见过的模式。这些信号反映了两个中微子，它们携带的能量超过了地球加速器产生的能量最高的中微子的 1000 倍。这些狂野的中微子的能量几乎是太阳定期喷射出的中微子的十亿倍。显然，它们来自我们星球之外发生的某些极其剧烈的能量过程。
当我们意识到我们正在看到一些改变游戏规则的东西时，兴奋感在房间里蔓延开来。为了捕捉这一刻的奇思妙想，我们的一位研究生给这两个粒子起了昵称“伯特”和“厄尼”，以纪念《芝麻街》中的角色（有趣的名字比我们通常分配给中微子事件的长串数字更容易记住）。
我们又花了一年时间，并对相同的数据进行了完全重新设计的分析，才确信这些确实是它们看起来的样子：遥远中微子宇宙的第一张照片的最初像素。从那时起，我们总共发现了 54 个高能中微子——其中许多被赋予了布偶的名字，包括一个被称为“大鸟”的中微子，它的能量是厄尼或伯特的两倍。
我们现在正试图确定这些高能中微子来自天空中的哪个位置，以及它们是如何产生的。它们被怀疑的来源是极端的宇宙事件，例如超新星和其他被称为伽马射线暴的恒星爆炸——这两种现象据传会产生宇宙射线。如果我们能够明确地将高能中微子追溯到这些可能的宇宙射线来源，我们将开启我们对产生它们的极其戏剧性事件背后的物理学理解的新领域。
强大的粒子
地球沐浴在来自外太空的宇宙射线中——冰立方每天探测到 2.75 亿条宇宙射线。宇宙射线是一种带电粒子，最常见的是质子，它具有极高的速度，因此携带大量能量。在其发现一个多世纪后，产生宇宙射线的过程仍然在很大程度上未知。当它们到达地球时，我们无法简单地向后追踪它们的轨迹来推断它们来自哪里，因为它们在旅程中会发生偏转，受到银河系和星系际磁场的偏转。
然而，幸运的是，理论表明宇宙射线也在其诞生地与光子相互作用，产生中微子。中微子确实指向它们开始的地方——它们彻底避开其他物质，以至于几乎没有什么能改变它们的路径。因此，尽管我们无法从射线本身中查明宇宙射线的起源，但我们可以通过分析它们在年轻时可能产生的高能中微子来推断它们的诞生地。
当然，天文学家对宇宙射线是如何诞生的有一些想法，但我们需要数据来帮助我们证实或驳斥这些可能性。例如，人们认为大质量恒星会在其垂死挣扎中释放出宇宙射线。在一颗大型恒星生命的尽头，当它的核核不再能支撑其质量时，它会坍缩成一个称为中子星的致密物体，或者坍缩成一个更致密的黑洞，任何东西都无法从中逃脱。坍缩引发了一场极其明亮的爆炸：超新星。但它也将大量的引力势能转化为动能——为粒子加速提供推力，据推测是通过冲击波。
早在 1934 年，天文学家沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基就提出了超新星遗迹是宇宙射线的可能来源。然而，80 年后，天体物理学家仍然无法就该假设是否正确达成一致。它确实让许多人觉得是合理的。银河系中每世纪大约有三颗恒星发生超新星爆发。每次超新星爆发都会将恒星质量的相当一部分转化为粒子加速的燃料。但我们需要更多证据来确定超新星是否单独解释了在银河系中看到的宇宙射线的稳定流动。
来自银河系以外的河外宇宙射线通常比来自附近的宇宙射线携带更多的能量。一定存在比超新星更强大的来源来产生它们。
伽马射线暴是一个主要的嫌疑对象。伽马射线暴甚至比普通的超新星更亮，有点神秘，但可能发生在质量非常高的恒星在某些极端条件下坍缩时。
但关于河外宇宙射线的引擎，存在相互竞争的观点。它们有可能起源于活动星系核附近——位于星系中心并贪婪地吞噬物质的超大质量黑洞。当尘埃或气体云被拉入这样的黑洞时，一些粒子可能会以超高速向外偏转，并最终作为宇宙射线到达我们这里。
捕捉中微子
发现指向宇宙射线起源的中微子是一场胜算渺茫的游戏。为了在几年内有望看到数十个或数百个这些难以捉摸的粒子，冰立方必须是巨大的。该实验目前正在监测南极地表以下 1.5 公里的 10 万年历史的南极冰块。立方体每边长达一公里。
深层、古老的南极冰是完美的天然中微子探测器，因为它纯净、超透明并且免受阳光照射。当一个中微子偶尔与冰中的原子相互作用时，带电粒子会辐射出蓝色光，称为切伦科夫辐射，它可以在冰中传播数百米。冰立方的 5,160 个光学传感器，封装在玻璃球中并均匀分布在整个立方体中，能够捕捉到这些微弱的闪光。
传感器以精细的细节绘制出单个中微子撞击时产生的核碎片产生的光池。这种模式揭示了中微子的类型（或“味”）、能量和到达方向。迄今为止我们看到的厄尼和伯特以及其他中微子的能量约为拍电子伏特 (PeV)，或 10
15 eV；厄尼和伯特分别为 1.07 PeV 和 1.24 PeV。相比之下，位于日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机（世界上最强大的粒子加速器）中的粒子束能量在太电子伏特 (TeV) 或 1012 eV 范围内，约为其千分之一的能量。大鸟、厄尼和伯特是迄今为止见过的能量最高的中微子，幅度很大。它们中的每一个都投射出一个大约 10 万个光子的光池，分布在大约六个街区。
这两个中微子的 PeV 能量告诉我们一些重要的事情：它们一定是某些宇宙信号的一部分。它们的能量太大了，不可能在附近产生。
相比之下，本地中微子一文不值。平均每六分钟，冰立方就会探测到一个在地球大气层中产生的中微子，当宇宙射线撞击氢原子核和氧原子核时就会产生中微子。但在我们自己的后院产生的中微子并没有告诉我们任何关于宇宙射线或其他天体物理现象的性质。
因此，我们对冰立方产生的数据的分析首先要筛选掉这些干扰。从过去的经验来看，我们知道普通的庭院中微子会产生什么样的光模式。我们忽略那些。
任何残留的闪光并且对应于 PeV 能量中微子必定来自遥远的宇宙。它们很可能来自与宇宙射线相同的来源。但对于这些粒子，还有其他合理的，甚至更奇特的解释。
有些人认为它们可能是暗物质的特征——暗物质似乎构成了宇宙中超过 80% 的物质[参见 Bogdan A. Dobrescu 和 Don Lincoln 的“隐藏宇宙之谜”]。如果暗物质由平均寿命长于当前宇宙年龄的非常重的粒子组成，那么暗物质粒子的偶尔衰变可能会产生我们观察到的 PeV 能量中微子。
计数中微子
在冰立方发现 PeV 中微子之前，对宇宙中微子的搜索几乎完全集中在μ子中微子上，而很少关注其他两种味，即电子中微子和τ子中微子。这并不是因为μ子中微子被认为是到达我们这里最常见的宇宙中微子类型——这种味只是恰好更容易在我们的探测器中被发现。当μ子中微子猛烈撞击原子时，它们会发射出长达一公里的光迹。
我们最初优化了冰立方以拾取延伸到探测器体积中的μ子中微子轨迹，即使轨迹起源于立方体外部。实际上，这项技术使我们能够扩大我们的观测体积。但这需要权衡。这种方法也增加了宇宙中微子以外的粒子会污染结果的风险。因此，筛选背景噪声变得更加困难。
因此，我们还进行了第二次分析，专门针对冰立方探测器内部一半的区域，这种策略为污染物进入留下了更少的空间。以这种方式限制搜索的巨大优势在于，探测器可以测量每个中微子沉积在冰中的全部能量，精度在 10% 到 15% 以内。这比我们对在探测器外部相互作用的中微子进行的测量有很大的改进。
第二次更严格的约束搜索专门寻找一类极高能量的中微子，称为格赖森-扎采平-库兹明 (GZK) 中微子。理论家预测，当宇宙射线与来自宇宙微波背景（大爆炸的遗留物）的光子相互作用时，可能会出现能量高达艾电子伏特 (EeV) 的中微子——大约 10
18 eV。
我们和任何其他人都没有找到 GZK 中微子。但冰立方对它们的搜索已经发现了大量所有三种味的宇宙中微子。
自从发现厄尼和伯特以来，我们的两种搜索策略都成功地探测到了宇宙中微子。我们最初两年的数据揭示了 28 个能量在 30 到 1,200 TeV 之间的中微子，包括厄尼和伯特。这个数字比我们纯粹从大气背景中预期的要高出四个标准差以上。换句话说，这些粒子真正来自外太空的可能性大于 99.9999%。
当我们后来添加了额外的两年数据时，我们将总数增加到 54 个宇宙中微子。信号的统计显着性随后攀升至远远超过五个标准差，这是“发现”的传统阈值。
所有这些中微子究竟指向宇宙中的哪个位置？我们尚未收集到足够多的事件样本来最终回答这个问题。起源似乎并不局限于我们的银河系——指示它们到达方向的天空图仅显示出与银河系平面重叠的边缘证据。大多数宇宙中微子几乎可以肯定是河外起源的。
然而，似乎有略高于平均水平的中微子来自银河系中心。伯特是该星团的一部分；它指向银河中心一度以内。我们不能确定为什么这个区域会喷射出相对较高数量的中微子，但我们知道银河中心充满了超新星遗迹，以及一个巨大的黑洞。这些中的任何一个都可能是中微子的来源。
我们的目标是不断完善宇宙中微子起源的地图，因为我们稳步收集更多通过地球到达我们的μ子味中微子。它们释放的公里长光迹使我们能够以优于 0.5 度的分辨率重建它们的轨迹。随着时间的推移，累积的数据将揭示高能中微子天空的高度详细地图——以及宇宙射线。天文学家将分析该地图，以找到与已知天体的重叠，这些天体可能是宇宙射线的来源，例如伽马射线暴或拥有超大质量黑洞和活动星系核的明亮星系。
冰立方才刚刚开始触及它可以发现的东西的表面。该实验的建造目的是运行 20 年——甚至更长时间。与此同时，我们正在展望它的续集。我们的团队正在提议最终建造一个更大的探测器，使用大约 10 立方公里的冰——大约是冰立方体积的 10 倍。这种更大的仪器应该收集数千个以上的宇宙中微子，足以一劳永逸地确定哪些遥远的发电站正在创造它们及其宇宙射线表亲。