科学家可能刚刚捕捉到7个穿越地球的奇异“幽灵粒子”

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（Main）IceCube中微子观测站在南极的冰层中（插图）数字光学模块检测到的中微子相互作用和τ轻子衰变的光子图（图片来源：Jack Pairin/IceCube Collaboration）

（）据美国太空网（Robert Lea）：天文学家利用深埋在南极冰层中的冰立方天文台，在流经地球时探测到了七种难以捉摸的奇异“幽灵粒子”候选者。这些信号表明这些粒子是天体物理学中的τ中微子；它们是强大高能天体事件和我们之间的重要信使。

中微子是以接近光速的速度在宇宙中爆炸的无电荷、几乎无质量的粒子。奇怪的是，由于这些参数，中微子几乎不会与任何东西相互作用。事实上，每秒钟大约有100万亿个通过我们的身体。我们就是说不出来。如果你是一个人类大小的中微子探测器，你必须等待大约100年，中微子才能与你体内的粒子相互作用。因此，中微子被戏称为“幽灵粒子”是有充分理由的

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”，有三种类型或三代：电子中微子、μ介子中微子和τ中微子。正如你所料，所有这些幻影粒子都是令人难以置信的难以捉摸，但把它们固定下来是冰立方的任务。2013年，该天文台首次探测到天体物理中微子，现在似乎特别探测到了天体物理τ中微子，它可以作为一种全新的宇宙信使。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授、研究联合负责人Doug Cowen在一份声明中表示：“在数据中检测到七个候选τ中微子事件，再加上极低的预期背景，我们可以声称背景极不可能合谋产生七个τ中微子冒名顶替者。”。“天体物理τ中微子的发现也有力地证实了冰立方早期发现的扩散天体物理中微子通量。”



IceCube的中微子探测数字光学模块在它们被深埋在南极之下之前。（图片来源：Kael Hanson/IceCube/NSF）

被困在冰下

为了在中微子穿过地球时探测它们，冰立方使用嵌入冰中的被称为数字光学模块（DOMs）的一串金球。该天文台总共有5160个DOMs深埋在南极冰层中，等待中微子与冰层中的分子相互作用并产生带电粒子。这些带电粒子在穿过冰时会发出蓝光——DOMs记录了这种光。

更具体地说，当高能天体物理τ中微子与分子相互作用时，它们会产生特征性的光发射，包括一个独特的双级联事件，该事件会产生DOMs检测到的两个能级峰值。



双脉冲波形表明DOMs已经探测到了τ中微子。（图片来源：Jack Pairin/IceCube Collaboration）

过去，IceCube成功地捕捉到了这些τ中微子特征的诱人线索，但Cowen和同事们想真正精确定位这些难以捉摸的粒子。

IceCube可以“实时”检测到其他中微子的味道，但该设施目前无法对τ中微子进行检测。相反，寻找这些特殊的宇宙幽灵需要仔细研究十年的档案数据。但是，该团队并没有完全由史酷比团队自己猎杀这些幻影，而是训练了所谓的“图像分类优化卷积神经网络”来筛选2011年至2020年间收集的近10年的冰立方数据，以寻找τ中微子特征。

这导致了七次强τ中微子候选探测。

该团队保留了这些检测是错误识别的结果的可能性，但Cowen解释说，DOM检测到的背景模仿该信号的几率仅为350万分之一。

目前的发现只使用了三串DOM探测器，但未来的分析将更多地依赖于这些冰冷的金色珍珠。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首次三代中微子振荡研究。这就是中微子在穿越巨大的宇宙学距离时改变味道的现象。

了解中微子振荡可能是确定这些幽灵粒子是如何产生的，是什么事件首先使它们在太空中飞驰，以及它们随着时间的推移过渡到下一代的原因的关键。

Cowen总结道：“总的来说，这一令人兴奋的发现带来了利用τ中微子揭示新物理的有趣可能性。”。

该团队的研究发表在论文库arXiv上，并已被《物理评论快报》杂志接受发表。