在格陵蘭島的冰蓋高處，研究人員本周正在鉆孔。但他們不是尋找過去氣候線索的地球科學家。他們是粒子天體物理學家，正在尋找負責宇宙中能量最高粒子的宇宙加速器。通過在冰面及其下方數十米處放置數百個無線電天線，他們希望以比以往更高的能量捕獲被稱為中微子的難以捉摸的粒子。“這是一個發現機器，在這些能量下尋找第一個中微子，”芝加哥大學的 Cosmin Deaconu 在格陵蘭島峰會站說。
地球上其他地方的探測器偶爾會記錄到超高能 (UHE) 宇宙射線的到來，這些原子核以如此高的速度撞擊大氣層，以至于單個粒子可以包含與擊球良好的網球一樣多的能量。研究人員想查明它們的來源，但由于原子核帶電，太空中的磁場使它們的路徑彎曲，從而掩蓋了它們的起源。
這就是中微子的用武之地。理論家認為，當 UHE 宇宙射線從它們的源頭發出時，它們會在與來自宇宙微波背景的光子碰撞時產生所謂的宇宙中微子，而這些光子遍布宇宙。由于不帶電，中微子像箭一樣筆直地飛向地球。困難在于抓住它們。中微子是出了名的不愿意與物質相互作用，這使得每秒鐘都有數萬億個物質經過你而沒有任何通知。必須監測大量物質才能捕獲少量與原子碰撞的中微子。
最大的此類探測器是南極洲的 IceCube Neutrino Observatory，它觀察南極下方 1 立方公里冰層中中微子原子碰撞產生的閃光。IceCube 的 Olga Botner 說，自 2010 年以來，IceCube 已經探測到了許多深空中微子，但只有少數(昵稱包括 Bert、Ernie 和 Big Bird)的能量接近 10 拍電子伏特 (PeV)，這是宇宙中微子的預期能量烏普薩拉大學的團隊成員。“為了在合理的時間內探測到幾個能量更高的中微子，我們需要監測大量的冰。”
一種方法是利用中微子撞擊產生的另一種信號：無線電波脈沖。由于波在冰層內傳播長達 1 公里，因此與冰立方相比，冰立方在冰層深處的長串光子探測器可以監測更大體積的冰，而且成本更低。由芝加哥大學、布魯塞爾自由大學和德國加速器中心 DESY 領導的格陵蘭射電中微子天文臺 (RNO-G) 是第一個共同努力測試該概念的項目。到 2023 年建成后，它將擁有 35 個站，每個站包括兩打天線，總面積達 40 平方公里。該團隊上周在格陵蘭冰蓋頂端由美國運營的 Summit Station 附近安裝了第一個站點，并已轉移到第二個站點。環境偏遠且無情。“如果你沒有帶來一些東西，你就無法快速發貨，”Deaconu 說。“你必須湊合著你所擁有的。”
研究小組希望捕獲的宇宙中微子被認為來自猛烈的宇宙引擎。最有可能的能量來源是超大質量黑洞，它們吞噬了周圍星系的物質。IceCube 已經將兩個能量低于 Bert、Ernie 和 Big Bird 的深空中微子追蹤到具有大質量黑洞的星系——這表明它們走在正確的軌道上。但是需要更多能量更高的中微子來確認這種聯系。
除了查明 UHE 宇宙射線的來源之外，研究人員還希望中微子能夠展示這些粒子的構成。檢測 UHE 宇宙射線的兩種主要儀器的成分不同。來自猶他州望遠鏡陣列的數據表明它們完全是質子，而阿根廷的皮埃爾奧格天文臺表明更重的原子核混合在質子中。由這些粒子產生的中微子的能譜應該根據它們的組成而有所不同——這反過來又可以提供關于它們如何以及在哪里加速的線索。
項目負責人之一、弗里德里希亞歷山大大學 Erlangen-Nürnberg 的 Anna Nelles 說，RNO-G 可能捕獲足夠的中微子來揭示這些明顯的能量差異，她估計 RNO-G 每年可能捕獲多達三個宇宙中微子。但是，“如果我們不走運，”她說，檢測可能會非常稀少，以至于僅僅獲得一個評分就需要數萬年的時間。
即使 RNO-G 被證明是一個等待游戲，它也是一個更大的無線電陣列的測試平臺，分布超過 500 平方公里，計劃作為 IceCube 升級的一部分。如果宇宙中微子在那里，第二代冰立方會找到它們并解決它們是什么的問題。“它可能會被中微子淹沒，每小時 10 個，”內勒斯說。“但我們必須很幸運。”
