科学家可能刚刚已经捕捉到7个随它们刺透地球的异域“幽灵粒子”

By Robert Lea

 2024/3/16

The Universe

深埋在南极深处的装置探测到了由强大的天体物理事件朝向地球爆击的高度难以捉摸的τ中微子。

（主）在南极冰中的冰立方中微子天文台的一个被数字光学模块检测到的来自一个（插图）中微子相互作用和τ轻子衰变的光子图。 (Image credit: Jack Pairin/IceCube Collaboration)

天文学家用被深埋在南极冰内的冰立方天文台，已经探测到了随它们流过地球七种难以捉摸和异域的“幽灵粒子”候选。这些信号提示这些粒子是天体物理学的τ中微子，它们像强大的高能天体事件和我们之间的重要信使一样行动。

中微子是以接近光速爆击过宇宙的无电荷、几乎无质量的粒子。足够奇怪的是因为这些参数，中微子难与任何东西相互作用。事实上，每秒钟大约有100万亿个的它们穿过我们的身体。我们只是不能告诉。如果你是一个人类大小的中微子探测器，你会不得不等待大约100年让一个中微子与你体内的一个粒子相互作用。正因为这样是中微子被戏称为“幽灵粒子” 的好理由。

来自银河系边缘宇宙源的高能中微子被称为“天体物理中微子”，它们以三种风味或三代而来：电子中微子、μ介子中微子和τ中微子。正如你可能预料的一样，所有这些幻影粒子都是令人难以置信的难以捉摸，但定下它们是冰立方的使命。2013年，这个天文台做出了它的首次天体物理中微子的探测，现在似乎它已经探测到了天体物理τ中微子特别的用作为一种全新类型的宇宙信使的。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授、研究联合负责人斗格科文在一份声明中说，“在数据中检测到七个候选τ中微子事件与非常低的被预期的背景相结合允许我们来声称背景高度不可能正在合谋来产生七个τ中微子冒名顶替者，天体物理τ中微子的发现也提供一个冰立方的早期发现的扩散天体物理中微子通量的强确认” 。

在它们被深埋在南极之下之前的冰立方的中微子探测数字光学模块。(Image credit: Kael Hanson/IceCube/NSF)

被陷在冰下

为探测随它们穿过地球的中微子，冰立方用被嵌入冰中的叫数字光学模块（DOMs）的金球串。该天文台总共有5160个数字光学模块深埋在南极冰中，只是等待中微子来与冰中的分子相互作用并产生带电的粒子。这些带电粒子随它们自己穿过冰征途发射蓝光------数字光学模块登记这种光。

更特别的是，当高能天体物理τ中微子与分子相互作用时它们创造特征性的光发射，包括一个分明的由数字光学模块检测到的在光水平中的两个峰值双级联事件。

双脉冲波形表明数字光学模块已经探测到了τ中微子。 (Image credit: Jack Pairin/IceCube Collaboration)

在过去，冰立方设法来捕捉到了这些τ中微子特征的诱人签名，但科文和同事们要真的定下这些难以捉摸的粒子。

其他风味的中微子能被冰立方“实时”检测到，但该设施目前不能对τ中微子做这个。相反，狩猎这些特别的宇宙幽灵需要仔细研究十年的档案数据。但不是全史酷比团队并他们自己狩猎这些幻影，而是该团队训练了被称为的“图像分类优化卷积神经网络”来筛选2011年至2020年之间收集的近10年的冰立方数据来狩猎τ中微子签名。

这造成了七次强τ中微子候选探测。

该团队正在保留这些检测是错误识别的产物的可能性，但科文解释说由数字光学模块检测到的模仿这个信号的机会只是350万分之一。

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目前的发现仅用了三串数字光学模块探测器，但未来的分析将更多地依赖这些冰的金色珍珠。这不仅将增加探测到的τ中微子的样本，还可以帮助科学家进行从来首次三代的中微子振荡的研究。这就是由中微子随它们旅行过广袤的宇宙学距离转换风味的现象。

了解中微子振荡可能对确定这些幽灵粒子如何被产生是关键，是什么事件第一位设定它们疾驰过太空，以及为什么它们随时间过渡到下一代背后的原因。

科文总结道：“一切的一切，这一令人兴奋的发现是带着利用τ中微子来揭开新物理的有趣的可能性来的”。

该团队的研究被特征在论文库arXiv上并已被《物理评论快报》杂志接受发表。