南极冰原上的粒子猎手：捕捉穿行宇宙的幽灵粒子

中微子属于基本粒子，无法拆分成更小的单元。它不带电荷，只参与弱相互作用，这也是它可以毫无阻碍穿越物质的原因。从宇宙大爆炸时期诞生的中微子，能够在宇宙中穿行 138 亿年，一路上几乎不和星际尘埃、光线发生反应。很多高能中微子诞生于宇宙里能量剧烈的天体，比如正在吸积物质的黑洞。黑洞吞噬尘埃后向外喷射粒子流，中微子就诞生其中。普通光线会被周边尘埃遮挡，而中微子不受阻碍，可以直接抵达地球，让科学家有机会窥见这些高能天体内部的运行状态。

但这份独特的特质，也让中微子探测变得十分艰难。大多数中微子会直接穿过整个地球，不与任何物质发生碰撞。想要捕捉到它，就需要体量巨大的探测介质。当极少数中微子撞击介质内的原子核，会触发粒子簇射，产生类似 “光爆” 的切伦科夫辐射。在特定条件下，会出现阿斯卡扬效应，产生相干无线电信号，这正是 Vieregg 团队探测中微子的信号来源。

冰川冰恰好适配实验的需求。冰川冰可以透过无线电波，同时拥有足够密度，提升粒子发生相互作用的概率。团队设计了 PUEO 探测载荷，依托 NASA 高空气球，在距离南极冰面约 40 公里的高空飞行，向下俯瞰整片南极大陆，把广袤的南极冰盖本身变成巨大的探测器。

PUEO 项目筹备多年，科研团队在南极麦克默多科考站完成设备调试。载荷在 2025 年 12 月升空，持续飞行 23 天，采集了 50 至 60TB 的观测数据。受限于南极的航班周期，Vieregg 在设备达到飞行就绪状态之后就不得不先行离开，只能在新西兰基督城的酒店，和团队远程见证气球升空。升空后的观测任务，交由研究生与博士后现场负责。

拿到数据并不等于马上获得答案。粒子物理领域常采用盲分析的方式，在完整分析完成前，研究人员不会主动寻找目标信号。团队需要花费近一年时间，逐一区分背景噪声，再确认数据里是否藏着超高能中微子信号。如果成功捕获，将是人类观测到的这类能量区间的中微子。

PUEO 并不是该方向最早的气球实验。Vieregg 在读研究生期间参与过 ANITA 项目，它是 PUEO 的前身。ANITA 的四次飞行中，捕捉到两组特别的无线电脉冲。信号外观和宇宙射线引发的大气簇射很接近，但信号极性发生反转。科研团队提出一种猜想：有可能是穿过地球的中微子引发，但这个猜想也存在难以解释的疑点，至今没有定论。这段数据也在网络上引发很多讨论，甚至有人猜测这是平行宇宙存在的证据。Vieregg 认为，实验人员负责采集数据并公开结果，不同理论研究者提出各类猜想，是科学讨论里健康的状态。

除了南极上空的气球项目，团队还在格陵兰搭建地面天线阵列 RNO-G。它和 PUEO 互为补充：PUEO 在高空观测，更适合寻找能量极gao的中微子；RNO-G 将天线布设在冰面，能够探测能量稍低的信号。两套装置搭配，可以拓宽观测范围。

为什么要投入大量人力物力去寻找这些粒子？宇宙射线是带电粒子，在星际磁场中行进路线会发生偏转，抵达地球时，已经无法追溯它的源头。而不带电的中微子沿直线传播，可以直接回溯到诞生的天体。通过观测超高能中微子，科学家希望锁定它们的源头，比如活动星系核、中子星并合、脉冲星等天体，弄清驱动这些极端天体的物理机制。

长远来看，这类实验还有更深层的意义。地球上的加速器无法制造如此高能量的粒子。借助来自宇宙的超高能中微子，研究者有机会检验现有粒子物理理论，观察标准模型能否解释这些极端条件下的物理现象。

在这期播客节目末尾，主持人 Paul Rand 也提到，这是他主持《Big Brains》的最后一期，栏目后续会更换主持人，继续分享前沿科研故事。