IceCube中微子探測器

IceCube中微子探測器是位於南極阿蒙森-斯科特站冰蓋以下的三維大氣簇射陣列，由美德等10國共同建設維護，主要目標用來探測地外高能中微子源，為理解高能宇宙射線打開一扇新的視窗。

項目組成

IceCube單個DOM探測器的構成示意圖

以分布在冰面上的1平方公里的探測器(81個站點，324個探測器)組成的IceTop部分；在冰面下方，是由一系列“繩索”懸吊著的一系列探測器，這些探測器在冰面以下1.45到2.45公里處組成的1立方公里的探測器陣列(IceCubeArray)，一共有86條“繩索”，每條上面有60個光學探測器(稱為DOM：digitalopticalmodules，數位化光學模組)；其中還有被稱為DeepCore的8條“繩索”上面的480個專門為探測低能量中微子最佳化的探測器子陣列。

目的

IceCube將搜尋最劇烈天體物理事件所產生的中微子，例如恆星爆炸、伽瑪射線暴以及有關黑洞和中子星的劇變現象等。

伽瑪射線-內部結構模型圖

中子星-內部結構模型圖

歷史

IceCube整體結構示意圖

中微子這種最早來自於Pauli理論預言的粒子在1956年被第一次觀測到，從此之後，物理學家和天文學家很快就聯想到可以用中微子進行天體物理的探測。

60年代晚期，RaymondDavis利用在廢棄金礦中建立的Homestake探測器，第一次探測到了來自太陽的中微子流，不過也揭示出了太陽中微子疑難，即觀測流量與理論預測的巨大差別；JohnBachall在60－70年代提出了用中微子震盪解釋這個疑難的理論，而太陽產生的電子中微子在傳播過程中轉化為了暫時不能被探測到的其他兩種中微子。

1998年，最初被設計用來探測質子衰變的神岡探測器在90年代升級為超級神岡，並成功的探測到了中微子震盪的證據。2001年，加拿大的SNO(SudburyNeutrinoObservatory)發表的結果更是探測到了來自太陽的三種中微子，並指出考慮到中微子震盪後，觀測和理論很好的符合起來，轉過來年，超級神岡的結果也進一步證實了SNO的觀測，從而基本上解決了太陽中微子疑難，RaymondDavies和小柴昌俊在2002年也被授予了諾貝爾物理學獎。

中微子震盪之三種中微子-模型圖

1987年，大麥雲中的SN1987A超新星爆發更是提供了一個獨特的中微子探測機會，結果Homestake和神岡探測器探測到了19個來自這個超新星爆發的中微子事件，這個探測也是中微子天體物理研究中的一次重大的成功。

IceCube中微子探測器

從60年代起還有一系列的中微子探測項目，而且，天體物理學家意識到，探測中微子最好的方法，是利用在介質中產生的Cherenkov輻射，通過光電效應來進行探測，對於這種方法，水和冰都是比較好的介質，而且有大量的天然存在；不過使用這樣的方法，需要依賴的大規模的探測器陣列，1平方公里，甚至，1立方公里尺度的探測器才是最好的選擇；科學家們為了在Hawai’i附近海域建設DeepUnderwatermuonandNeutrinoDetector(DUMAND)的努力最終以失敗告終，但其過程確為設計這樣的項目奠定了科學和技術的基礎，此後，俄羅斯在貝加爾湖，歐洲科學家在地中海中都進行了類似的嘗試；2000年到2009年，第一個和DUMAND尺度相近的中微子探測器AntarcticMuonandNeutrinoDetectorArray(AMANDA)在南極以下冰層中完成了建設，很好的證明了這樣設計的成功之處，並最終進化為了IceCube探測器。

IceCube地下望遠鏡的建造工作於2011年完成。美國國家科學基金會委託威斯康辛大學牽頭負責IceCube的建造。該項目是一個國際合作項目，參加方還包括比利時、德國、荷蘭、瑞士、日本、英國、紐西蘭和瑞典。 在運行的第一年中，IceCube雖然探測到了許多大氣中微子，卻沒有找到來自於宇宙的中微子。

探測原理

IceCube是利用由中微子相互作用產生的帶電粒子的Cherenkov輻射進行探測。

“冰立方”由大量的埋藏於冰蓋中的光學探測器組成，這些探測器的安裝是通過熱水鑽完成的。當中微子和南極洲中的冰相互作用的時候，就會產生帶電粒子，帶電粒子的運動就會產生可以被直接探測到的光線。南極洲巨大的冰體起到了捕獲中微子的作用，使得中微子更易於觀測，與此同時也起到了保護探測器不受其他輻射的損害。