IceCube的冰原传奇
5年有余的建设时间，5100余组光电倍增管，1立方千米的体积，还有身处南极点的地理位置，光看数据，现今最大的中微子探测器IceCube就可以称得上是当代神话了。这架巨型探测器在2011年底的全面启用是当代天文学的重大事件，从此河外中微子源正式成为了常规的科研目标。在冰封的茫茫雪原上，IceCube正在用自己的实力书写出了中微子天文学的一段传奇。近来IceCube小组发表了一系列探测器运转至今的研究结果，都是在里约热内卢召开的第33界国际宇宙线会议上公布的，让人得以一窥这部进行中的传奇的细节，遂有此文。
IceCube探测器弦的俯视图，每条弦都是使用水热法在南极洲冰原上钻探而成的，其上悬挂有数十架以光电倍增管为主体的探测器，它们分布在1.45千米到2.45千米的深度上，用于搜寻中微子相关反应在冰层中诱发的切伦科夫辐射。整个IceCube共由86道这样的探测器弦组成。（图片提供：NSF: B. Gudbjartsson）
IceCube的概念要追溯到中微子天文学尚处萌芽期的20世纪70年代。由于中微子只参与弱相互作用，反应截面极小，为了在地面探测到足够多的宇宙中微子事件，将中微子视野拓展到太阳之外，那么探测器的尺度必须达到立方千米的量级，无论对于宇宙线与宇宙背景辐射相互作用产生的背景中微子还是伽玛暴等爆发性事件产生的突发中微子来说都是如此。
但是仅凭人力又如何能构筑如此庞大的探测器呢？研究者首先想到了海洋，设在夏威夷大岛沿岸的深水μ子与中微子探测器DUMAND应运而生。虽然受限于当年的技术，DUMAND将近20年的努力一无所获，但它为后世贝加尔湖、地中海等地的水域探测器奠定了基础，也诱使人们在南极点的阿蒙森—斯科特科考站建造了IceCube的前身——南极洲μ子和中微子探测阵列AMANDA。2009年，始建于20世纪90年代中期、运转了将近10年的AMANDA阵列正式关闭，但为它建造的基础设施成了兴建中的IceCube的一部分。
IceCube的光电倍增管阵列捕获切伦科夫光的艺术图。（图片提供：IceCube Neutrino Observatory）
IceCube用到的具体反应是极少量中微子与冰层原子核的弱相互作用，期间会形成μ子、电磁辐射以及一系列的次级重子，次级粒子（包括重子与轻子）的运行速度都可以高过介质光速，因此会沿途发出浅蓝色的切伦科夫辐射。南极洲冰原深处的冰层透明度极高，光线可以在其中穿过上百米，因此就为探测器追踪切伦科夫辐射创造了条件。只要能够描绘出辐射的分布与路径，就可以给出中微子的入射方位与能量信息了。又由于μ子与次级重子形成的辐射锥形态不同，只要探测器数量够多够密，大可以将来自二者的切伦科夫光区分开来。与水域相比，冰层的优点在于散射长度较短、不存在干扰探测器工作的深水发光生物、便于探测器定位，且海水中不可避免的放射性钾元素衰变干扰也大为减轻，因此探测精度大大提升。
IceCube主要的观测目标是来自宇宙的高能中微子，目前记录在案的中微子能量超过了1015 eV（1 PeV）。这些中微子可能的起源包括河内宇宙线与银盘分子云之间的质子—质子反应产物，以及活动星系核或伽玛暴火球中的质子—光子反应产物。更值得一提的是与宇宙线的Greisen-Zatsepin-Kuz’min截断对应的区域。由于宇宙微波背景辐射理论上会吸收掉来自大约2.4亿光年之外的特高能（能量在104 eV到105 PeV之间甚至更高）宇宙线粒子，但过程中产生的中微子却可以几乎不受阻碍地抵达地球，因此对特高能中微子进行观测几乎是探讨神秘的特高能宇宙线来源的唯一渠道。
宇宙中微子源的能谱，图中蓝色圆点表示AMANDA-II的观测结果，红色表示Frejus地下实验室的观测结果，黑色实线是理论计算值。图中可见除去大气中微子之外，从低能到高能，形成中微子的主导过程依次是大爆炸核合成、太阳与超新星爆发、伽玛射线暴和活动星系核。最右侧的拐折对应Greisen-Zatsepin-Kuz’min截断，源自微波背景辐射对高能粒子的吸收，所以来自较远处的特高能粒子是不能在地球上探测到的。（图片来源：Halzen & Klein 2010）
具体说来，IceCube实时在记录着来自四面八方的中微子事件，考虑北天中微子首先经过了整个地球的过滤，因此噪声更低，数据也更加可信。不过后来在引入筛除机制，以外层光电管充当屏蔽层之后，探测器也可以用于南天观测。在判明每个事件的入射方位与中微子能量之后，研究者要做的是尝试寻找与之成协的电磁波对应体，如伽玛暴、活动星系核以及超新星遗迹等河内宇宙线加速场所。目前IceCube小组已经针对宇宙线加速区密集的天鹅座区域、500余个伽玛暴（IceCube的探测时间在卫星触发后正负15天内）以及活动星系核耀发等一系列点源进行了系统的匹配搜索，但是尚未找到明确的成协，而且已有的中微子事件的似乎也并未表现出耀发或周期性变化的迹象。又由于早年明确发现过来自SN 1987A的中微子，超新星的中微子辐射可以很好地从理论上计算出来，考虑某些超新星处在地球的观测范围之外这一可能性，研究者还根据观测反推出了近几年银河系内发生超新星爆发数量的上限。
IceCube测量到的大气中微子能谱，其中红线与黑线表示不同理论模型给出的预期谱。（图片来源：Ruhe et al. 2013）
除了点源搜索，IceCube小组还对包括大气中微子在内的弥漫中微子辐射进行了测量。大气中微子与宇宙中微子能谱有所不同，后者更硬，因此可以利用这一点将不同起源的中微子流区分开来。在这次公布的结果中，大气中微子尤其值得一提。首先是其能谱一直扩展到了PeV，且观测结果与理论大致相符，呈略带拐折的幂律形式。不过在最高能段由于中微子事件少、误差较大的缘故，还是不能将已有模型明确区分开来。更有趣的是，探测器还第一次注意到了大气中微子流量的季节性变化，这种幅度在5%左右的波动有着3.4σ的置信度，据信与IceCube上空同温层大气的温度相关。而来自天体的中微子在所有中微子探测中并不占主导，现有结果只给出了上限而已。
大气中微子流量的季节性变化，图中黑线表示2008年4月到2011年7月间天顶角介于90度到120度之间的中微子流量变化，蓝线表示同期的向下μ子流量，红线与黑线表示不同理论模型给出的预期谱。（图片来源：Desiati et al. 2013）
作为以水冰为介质的探测器，IceCube有能力探测电子、μ子和τ子所有这三种中微子，且不同类型的中微子产生的切伦科夫辐射不同。初步分析表明，IceCube观测到的不同中微子比例支持中微子振荡之说。更且利用全面运行第一年的数据，IceCube小组测得了振荡的混合角θ23以及相应的中微子质量差异。更奇妙的是所谓惰性（Sterile）中微子的搜索，这类中微子是为了解释传统中微子振荡理论所不能涵盖的某些现象而引入的，它超出了标准模型的预言，不参与任何弱相互作用，因此也不与粒子物理理论相矛盾。惰性中微子的存在可以让TeV能段的高能μ子中微子大大减少。当前的分析受限于事件数目，尚不能得出确定的结论，不过已经可以排除惰性中微子振荡的混合角θ24以及它与μ子中微子质量差的某些组合了。
除了中微子本身，IceCube的任务还包括粒子物理学的相关研究。在特高能中微子发现后，搜索格拉肖共振事件的可能性就提上了议程。在这一过程中，能量在6.3 PeV左右的反电子中微子与负电子相互作用，先形成W-粒子，再衰变为簇射重子群。由于据此可以判断出天体中微子流中反电子中微子的贡献，这一反应尤其重要。分析表明，IceCube全面运行后有能力每年发现一个左右的这类事件，剩下的就是守株待兔了。此外根据理论预言，中微子是某些暗物质粒子WIMP的衰变产物，因此可以充当暗物质搜索的中介。IceCube关注了来自银心、银晕与地核的中微子，并为WIMP粒子湮灭的截面带来了新的限制。
格拉肖共振事件的模拟。（图片来源：Kiryluk et al. 2013）
IceCube也是一台很好的宇宙线探测器。在冰原表面，IceCube设置了81座地面探测站IceTop，专门用于测量初级宇宙线产生的高能空气簇射，因此可以同时进行宇宙线和中微子的观测。IceTop测得的高能宇宙线能谱存在明显的拐折，但是与经典的Greisen-Zatsepin-Kuz’min截断不同，其形态似乎是先陡降又有所上升的，有些类似于早年AGASA发现的流量超出，不过由于能段上限过低，不能下定论。IceCube本身还可以记录μ子事件，说明全天宇宙线的分布存在明显的各向异性，某些成分或许源自大质量星协，也有一部分可能是太阳扰动附近的星际磁场所致。而由于理论中的磁单极子也应该可以发出切伦科夫辐射，IceCube也是研究这种难以捉摸的粒子的利器，它给出的结果是迄今对磁单极子最佳的限制。
IceCube得出的南天宇宙线流量相对强度（左）与统计置信度（右）分布图。上方两图为未扣除二级矩和四极矩成分之前的情况，下方两图为扣除之后的情况。（图片来源：Santander et al. 2013）
需要特别指出的是，目前公布的一系列研究成果大抵是基于IceCube在建设期间进行的观测得出的，所以不确定性仍旧很大，而且有待进一步的改进。整个探测器全面运转还是近两年的事情，随着更多高质量数据的日益积累，中微子源的解析应该是指日可待的，一些关键问题，如天体环境下高能中微子的具体产生机制也有望在不久的将来得到解决。
IceCube全面运行5年后预期的模拟天空图，其中有4个能量高于40 TeV的事件来自Milagro水切伦科夫望远镜探测到的辐射源MGRO J1852+01与MGRO J1908+06。（图片来源：Halzen & Klein 2010）
另外IceCube小组也有成员提出，要参考伽玛暴坐标网来建立特高能（PeV以上）中微子的触发反应机制，指导其他波段（主要是光学、X射线与伽玛射线）的仪器立即进行后续观测，以加强人们对特高能中微子相关事件的认识。现在伽玛暴坐标网指导中微子观测早已成为了现实，如果IceCube小组的设想最终也得以实现，实在是多信使天文学研究的一大幸事。
原始论文：
[1] IceCube的点源搜索
[2] 三类大气与弥漫特高能中微子的搜索
[3] IceCube的宇宙线观测
[4] 暗物质与奇异粒子的搜索
[5] 中微子振荡与超新星搜索
[6] 冰层性质、重建与未来的发展规划
