新发现的光学效应使冰立方中微子天文台能够推断出冰晶特性

可视化新发现的光学效应的插图：没有双折射（顶部），光线从各向同性光源径向流出。在双折射（底部）下，光线会慢慢偏转至冰流轴。图片来源：杰克·派林/冰立方合作

每秒，100万亿个中微子通过人体。这些微小的，几乎无质量的粒子在太空中传播了很远的距离，同时携带着关于它们来源的信息，并且是由宇宙中一些最有能量的现象产生的。但中微子非常难以探测，需要一个独一无二的探测器来“看到”这些几乎看不见的粒子。

2010年12月18日，位于南极的IceCube中微子天文台竣工。该探测器旨在寻找高能宇宙中微子，由5，160个光学传感器阵列组成，称为数字光学模块（DOM），埋在立方公里的南极冰层中。当中微子与冰中的分子相互作用时，产生的二次带电粒子通过称为切伦科夫辐射的过程发出蓝光。然后，光线穿过冰层，并可能到达一些DOM，在那里被检测到。然后，研究人员可以重建粒子的能量和方向，这一过程依赖于对冰的光学性质的知识。

2013年，IceCube协作报告了一项独特的观测，其中观察到的光源亮度取决于光的方向，这种效应被称为“冰光学各向异性”。到目前为止，研究人员一直试图用杂质诱导的吸收和散射的变化来描述各向异性，但效果有限。

在提交给冰冻圈的一项新研究中，IceCube报告了以前没有描述过的光学效应。这种效应是细长冰晶的双折射特性的结果，这些冰晶将光偏转为两个方向。获得的新知识被纳入探测器模拟中使用的基于双折射的新型冰光学模型SpiceBFR中，该模型大大改善了对冰中粒子相互作用产生的光模式的解释。

“IceCube协作公司使用的冰光学模型自前身实验阿曼达的早期以来一直在开发中，”威斯康星大学麦迪逊分校副科学家Dmitry Chirkin说。“20多年来，我们一直在为我们对冰的理解增加一些发现，包括在探测器上方深处被困的气泡消失，并且在更深的深度，南极冰盖包含地球上最干净的冰。另一个发现是光学冰各向异性，这是研究的主要主题，其动机是我们论文中的新理解。

为了改进之前描述各向异性的尝试，合作者仔细研究了各向异性效应，发现了冰晶性质的深度发展与各向异性效应之间的相关性。这导致研究人员认为，构成冰的许多随机分类的小晶体在观察到的各向异性中起作用。

“当我们意识到弯曲的光子轨迹具有微小的每米亚度偏转将能够准确地描述数据时，事情真的开始滚动，”美因茨约翰内斯古腾堡大学（JGU）的研究员Martin Rongen博士说。“事实上，当计算和模拟IceCube中存在的光通过多晶冰的扩散时，晶体平均沿着冰流方向拉长，出现平均偏转。

在这项研究中，研究人员进行了模拟，模拟了光在探测器内可能传播的不同路径。然后，他们将模拟数据与从IceCube获取的大型校准数据集进行了比较。IceCube校准数据集包含来自60，000个LED的数据，这些LED配备了所有DOM，这些LED向冰中发出一致的光脉冲，然后用于校准冰的光学特性。通过比较，研究人员能够推断出IceCube中冰晶的平均形状和大小。这一激动人心的新发现促使人们生成新的仿真，并调整当前的重建方法，以考虑SpiceBFR模型。

这种新的理解不仅有助于IceCube改善重建的中微子相互作用，而且还对整个冰川学领域产生影响。“特别研究冰晶特性以了解冰流力学，然后可用于预测南极质量平衡以及气候变化中由此产生的海平面上升，”Rongen说。

更多信息：Rasha Abbasi等人，使用来自冰立方中微子天文台的LED校准数据对南极冰晶特性进行原位估计（2022年）。DOI： 10.5194/tc-2022-174