中微子（“幽灵粒子”）是如何产生的？

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中微子是名副其实的幽灵粒子，它们能够悄无声息地穿过人体和墙壁，神不知鬼不觉。但自 100 多年前首次被发现以来，中微子一直是一个谜团：科学家对这种粒子的来源十分困惑。它们就像飘散在空间中的幽灵，没有人知道它们为什么在空间中，也没有人知道这些幽灵粒子是如何产生的。
可中微子本身对于人类探索宇宙来说意义重大，它和引力波一样，都携带了许多重要信息。因此，自引力波之后，人类探索宇宙的下一个重大发现也被认为或许就藏在宇宙中微子中。



1956 年，人类直接观测到了中微子，而来自太阳系外的高能中微子也被人们与2013 年成功捕获。但是，人类一直不明白一些宇宙中的高能中微子究竟是哪个天体产生的。直到不久前，科学家首次确认了高能中微子的产生源头之一—— 耀变体，一种在中心有快速旋转黑洞的星系。
同时，此次探索的高能中微子也是迄今观测到的最高能中微子，其能量是太阳中微子能量的 10 亿倍，而这些中微子在到达地球之前，已旅行了 37 亿光年。研究发表在7 月 12 日的《科学》杂志上。
　　一次意外发现和全球大接力
对于天文学家们来说，中微子让他们又爱又恨：因难以检测臭名昭著，但却可提供光观测不可比拟的关键优势：宇宙对高于特定能量的电磁辐射来讲几乎是透明的，换句话说，高能中微子可以毫无阻碍地穿梭整个宇宙。



图丨加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章曾因其中微子研究获得2015诺贝尔物理学奖
而且，由于中微子是一种几乎没有质量且不带电的粒子，它们以光速移动，很少与其他物质发生作用，无论它们走了多远，其携带的最原始的信息一直得到保留。
科学家们通过对这样的中微子进行研究，可以一直追溯至产生它的银河系外事件，可能还包括宇宙深处最高能的事件。所以说，捕获（实际不能真的捕获，只是收集中微子撞到探测器时探测器传回的数据）并研究这类源自太空深处的中微子，对天文工作来说则至关重要。
而这一次研究的高能中微子，其地球之旅的曝光实际上发生在 2017 年 9 月。



图 | 耀变体将中微子和伽马射线射向地球
当时，位于南极冰层下方的 IceCube 探测器捕捉到了一个来自深空的中微子，它被科学家命名为 IceCube-170922A。与此同时，另一个绕地球运行的望远镜也检测到了来自同一方向的极高能辐射。
　　


当 IceCube 探测器探测到深空高能中微子的信息得到确认后，全球范围内的一大批天文学家都开始着手分析这个中微子留下的数据，尝试定位它的源头。整个观测形成了全球天文界一次声势浩荡的接力探测。
科学家们的努力也没有白费。关于高能中微子来源的可能解释有中子星、伽马射线爆发、超新星和某些星系中心的黑洞辐射，而经过联合观测加上查阅已有的数据资料，科学家们确定，这个高能中微子源自耀变体 TXS 0506+056 。
整个过程正如 IceCube 的资深科学家 Albrecht Karle所说的：所有的拼图都相互吻合。我们中微子耀斑数据是一个独立的证据，加之其他天文台的观测，这些都有力地表明了高能中微子的来源是耀变体，而耀变体也就是高能宇宙射线源。
耀变体是一种密度极高的高变能量源，被假定为处于寄主星系中央的超大质量黑洞。物质落入位于寄主星系中央的超大质量黑洞时，将产生能量。位于遥远星系中心的耀变体每吞噬一颗星，就会以类似激光喷射的形式喷射出非常高能量的辐射，这些中微子就是在这一喷射过程中落向地球。



图 | 2017 年 9 月 22 日，IceCube 向国际天文学界发出探测高能中微子预警。约 20 个地球或空间的监测站追踪了这一观测，为科学家追踪超高能量中微子提供数据。
事实上，IceCube 曾于 2013 年首次探测到高能宇宙中微子，并于 2016 年 4 月与宾夕法尼亚州的天体物理多用途观测网络（AMON）合作，构成中微子探测即时警报系统。在后来的 16 个月里，该警报系统共发布了 11 次 IceCube-AMON 中微子探测警报。
论文共同作者，宾夕法尼亚州立大学天体物理学副教授 Derek Fox 说：这些警报激起了一系列令人印象深刻的后续观察，但没有任何有趣的消息。。。。。。直到 IceCube-170922A 的出现。
　　IceCube 如何立大功？
那么，在此次发现中扮演重要角色的IceCube 具体又是如何捕获这个令全世界的天文学家为之兴奋的最高能中微子的呢？
IceCube 中微子探测器于 2010 年完工，被放置在南极冰层下一块一立方公里大小的冰块中。当中微子撞击冰块里水分子的核时，其他粒子便会在反冲中散开，而在这些散开粒子的减速过程中，这些散开的粒子会发出契伦科夫辐射。
契伦科夫辐射是指在介质中运动的电荷速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射。从宇宙空间中进入地球大气层的某些高能粒子，运动速度接近光速，可以发出契伦科夫辐射。
IceCube 上所搭载的 5160 个光探测器中的一些便能在这个过程中探测到契伦科夫辐射。而科学家则能根据检测到辐射的位置，时间和亮度，重建中微子的路径和计算它所携带的能量。



图 |当中微子穿过冰时，IceCube 的光电探测器可通过检测契伦科夫辐射追踪这些中微子的源头方向
非常有意思的是，发现引力波的 LIGO 和此次的 IceCube 都受到了美国自然科学基金（NSF）的支持。IceCube最初的建设始于 2005 年，目前是全球最大的中微子探测器之一。就像几年前 LIGO 装置为全人类带来宇宙深处双黑洞合并的惊人信息一样，IceCube 也在此次的发现中立下大功，人类的宇宙探索史有 LIGO 装置的一页，如今也会有属于IceCube 的一页。



图丨IceCube
目前，IceCube 的研究团队正考虑进一步扩大 IceCube 及 IceCube-AMON 系统的规模。现有 IceCube 设备的成本约为 2.8 亿美元，而此次的研究结论将为 IceCube 的扩张计划带来进一步的资金支持。
　　人类探测宇宙的新时代已经降临
值得注意的是，本次研究中使用了多信使天文研究法，将多种信使的观察和解译结果进行综合处理，最终获得结论。
在多信使天文研究法中，中微子就是一种信使，它携带了粒子源的相关信息，因而可为科学家对相关天体或天文事件研究提供信息。除了中微子，这样的信使还包括电磁辐射、引力波和宇宙射线等。
结合这些不同的信使，科学家可获得不同方面的信息，更好地还原粒子源或所追踪事件的细节。因此，此次的发现也标志着人类对宇宙的探索进入了新阶段。
NSF 主任Cordova 在同一份声明中说：多信使天体物理学的时代已经来临。从电磁辐射、引力波和现在的中微子，每一个信使都让我们对宇宙产生更全面的理解，也让人类对空间中最强大的天体和事件有了更有力的洞察能力。
论文的共同作者之一Marcos Santander 教授也表示：这是我们首次有证据证明，一个活跃星系正在不断向外喷射中微子，这意味着我们很快能用中微子来进行天体研究，这是此前的研究手段所不可能得到的结果。



下一步，我们将密切关注这个超大质量黑洞附近的物理条件，研究此类高能中微子的产生过程。根据我们目前的理论，这种事件发生的概率虽然不高，但绝对是可能发生的，论文共同作者 Azadeh Keivani 说。
著名物理学家霍金曾经说过，我的目标很简单，就是把宇宙整个明白——它为何如此，它为何存在。现在，人类又将朝着这个问题大步迈进。