宇宙中微子的“扭結”有助于解釋這些粒子的起源

　　宇宙中微子是來自太空的亞原子粒子，由于其極難探測，以至于需要公里級探測器才能發現它們。近日，位于南極的巨型中微子探測器冰立方的物理學家報告稱，這些幾乎無法探測到的粒子的能量譜存在一個“扭結”，它可以幫助揭示中微子的來源。相關論文即將在《物理評論快報》發表。

　　示意圖：由中微子產生的μ子從右向左穿過冰立方的光電探測器，留下了一條可探測的“徑跡”光跡。

　　圖片來源：ICECUBE COLLABORATION

　　“這是一項開創性成果。”美國加州大學歐文分校的理論天體物理學家Kevork Abazajian評價道。荷蘭烏得勒支大學的中微子天體物理學家、由450名成員組成的冰立方團隊的發言人Erin O 'Sullivan表示：“現在，我們進入了一個新時代——可以開始對這些中微子來源的性質進行真正詳細的測量。”

　　幾乎沒有質量的中微子，是由某些粒子相互作用和衰變產生的。每一秒鐘，太陽核聚變產生的數萬億個中微子會涌向我們每一個人。為了探測來自超新星爆發和其他來源的高能中微子，研究人員將5160個光電探測器沉入1立方公里的極地冰層中。當中微子撞擊到探測器的原子核時，會產生大量帶電粒子，這些粒子在穿越透明冰層時會發出閃光。

　　在過去十年里，冰立方探測到了銀河系的中微子輝光，發現了鄰近的烏賊星系發出的中微子，并捕捉到一種稱為耀變體的短暫事件產生的中微子。中微子被認為來自與產生帶電宇宙射線相同的劇烈過程，因為宇宙中微子是由質子和原子核等帶電粒子的衰變和碰撞產生的。但具體是哪種天體物理來源產生了特定能量范圍內的粒子，仍然存在爭議。而宇宙射線和宇宙中微子的能譜可能隱藏著它們起源的線索。

　　隨著能量的增加，粒子的豐度急劇下降：能量每增加10倍，探測到的粒子數量就減少超過100倍。從數學上講，這種關系被稱為冪律。但除了這一主要趨勢外，宇宙射線能譜還呈現出幾處細微的“褶皺”。例如，在約500千萬億電子伏特能量附近，能譜出現了一個寬闊的“膝”形結構。美國紐約大學的理論天體物理學家Glennys Farrar解釋說，這一凸起被認為是在這個能量區間，銀河系自身產生的宇宙射線逐漸消失，只剩下更稀少、能量更高的河外宇宙射線。

　　測量宇宙中微子的光譜以尋找相似特征是一項艱巨的任務，因為宇宙中微子必須從宇宙射線撞擊大氣層時產生的中微子洪流中篩選出來。中微子有3種不同類型——電子、μ子和τ子——當它們撞擊冰層時，都能產生相當緊湊的“簇射”。然而，一個μ子中微子也可以產生一種被稱為μ子的子彈狀粒子，它可以穿越數千米的冰層。這種“軌跡”很容易被發現。

　　冰立方團隊使用了13年的數據，通過兩種方式進行分析。首先，他們使用常規方法測量1萬次簇射事件和23萬條徑跡事件。其次，他們運用機器學習在數據中搜尋更罕見的事件，即簇射或徑跡始于探測器內部的事件。這種先進工具篩選出了5千次簇射和5千條徑跡，并對產生這些徑跡的中微子的能量給出更精確的估計。

　　主導機器學習分析的美國特拉華大學的粒子天體物理學家、冰立方成員Aswathi Balagopal V.表示，在兩種情況下，他們都發現在30萬億電子伏特能量處存在一個凸起或“拐折”的能譜。兩個獨立團隊進行了分析也都得出相同結果。

　　美國賓夕法尼亞州立大學的宇宙射線物理學家Stephane Coutu表示，這一結果是“重要、有趣和可信的”。事實上，宇宙中微子能譜中的特征可能比宇宙射線能譜中的特征更能揭示其信息。Coutu指出，宇宙射線會受到銀河磁場的偏轉影響，并可能被途中的氣體阻擋，而中微子則從源頭直接不受阻礙地飛來，因此“我們在這里看到的一切直接反映了源頭的實際情況”。

　　為弄清楚到底發生了什么，研究人員將嘗試建立宇宙射線和中微子能譜中獨特特征之間的聯系。Farrar認為，宇宙中微子能譜中的特征可能是宇宙射線“膝”區的一種反映，即銀河系宇宙射線的通量在此減弱。“在這一能量范圍內存在中微子，但由于沒有更高能量的銀河系宇宙射線而導致通量被截斷，這是極其自然的。”