新发现的光学效应使冰立方中微子天文台能够推断冰晶特性

每秒有100万亿个中微子穿过人体。这些微小的、几乎无质量的粒子在太空​​中传播很远的距离，同时携带有关其来源的信息，并且是由宇宙中一些最有活力的现象产生的。但是中微子非常难以探测，需要一种能够“看到”这些几乎看不见的粒子的独一无二的探测器。

2010年12月18日，位于南极的冰立方中微子天文台建成。该探测器旨在搜索高能宇宙中微子，由一组5,160个光学传感器组成，称为数字光学模块(DOM)，埋在1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会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，可能到达一些DOM，并在那里被检测到。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特性的了解。

2013年，IceCubeCollaboration报告了一项独特的观察结果，其中观察到的光源亮度取决于光的方向，这种效应称为“冰光学各向异性”。到目前为止，研究人员一直试图用杂质引起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报告了一种以前没有描述过的光学效应。这种效果是细长冰晶的双折射特性的结果，它们将光偏转到两个方向。获得的新知识被纳入用于探测器模拟的新的基于双折射的冰光学模型SpiceBFR，该模型大大改进了对冰中粒子相互作用产生的光模式的解释。

威斯康星大学麦迪逊分校的副科学家DmitryChirkin说：“IceCubeCollaboration使用的冰光学模型自前身实验AMANDA的早期就一直在开发中。”“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捕获的气泡消失，以及在更深处，南极冰盖包含地球上最干净的冰。另一个发现是光学冰的各向异性，这是这项研究的主要主题，受到我们论文中的新认识的推动。”

为了改进先前描述各向异性的尝试，合作者仔细研究了各向异性效应，发现冰晶特性的深度发展与各向异性效应之间存在相关性。这使研究人员相信，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。

美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)的研究员和该研究的负责人MartinRongen博士说：“当我们意识到每米偏转微小、亚度数的弯曲光子轨迹能够准确地描述数据时，事情真的开始了。”分析。“事实上，当计算和模拟IceCube中存在的多晶冰的光扩散时，晶体平均沿冰流方向拉长，会出现平均偏转。”

在这项研究中，研究人员进行了模拟，模拟了光在探测器内传播的不同路径。然后，他们将模拟数据与取自IceCube的大型校准数据集进行了比较。IceCube校准数据集包含来自所有DOM的60,000个LED的数据，这些LED向冰中发射一致的光脉冲，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内冰晶的平均形状和大小。这一激动人心的新发现促进了新模拟的产生和当前重建方法的适应，以解释SpiceBFR模型。

这种新的认识不仅有助于冰立方改善重建的中微子相互作用，而且对整个冰川学领域也有影响。“特别研究冰晶特性以了解冰流动力学，然后可用于预测南极质量平衡以及气候变化导致的海平面上升，”Rongen说