高能宇宙射线的起源：“冰立方”因中微子而被找到

UFO外星人爱好者

研究人员在南极科考站冰立方中微子天文台发现了有史以来能量最高的中微子观测记录，在这篇最新的中微子研究论文中，科学家分析了从2010年至2012年间中微子传感器的数据，发现了两个中微子事件的存在证据，其能量比以往类似的事件高出10倍左右。一直以来，科学家对中微子的关注度有增无减。中微子是一种微小的电中性粒子，由于中微子不带电荷，因此其不会参与强相互作用和电磁作用，质量也较低，中微子的特征决定了它可以自由地穿过宇宙空间，而不受到引力或电磁力的干扰。
冰立方（（IceCube）是美国设在南极洲极点处的中微子天文台。它由分布在1立方公里内的86串光传感器（光电倍增管）构成，每串60个，位于冰层下1450米到2450米。当高能中微子被冰俘获，产生带电粒子，穿过传感器阵列，将产生切伦科夫光，从而被探测到。



（IceCube）
2017年9月22日，冰立方探测到一个能量为290 TeV的中微子。作为对比，目前能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，只能把粒子加速到7 TeV。
冰立方的主要科学目标是通过中微子寻找高能宇宙射线的起源。为此，它建立了一个预警网络，对每个超高能中微子，实时重建出其方向，发布给其它望远镜，以便通过射电、光学、伽玛等波段观测对应的天体活动。观测到这个中微子后43秒，自动预警信息发出。4小时后伽玛射线协作网发出通知。



290 TeV的中微子（Science 361，146（2018））
刚开始，几个天文台并没有看到任何反常信号。6天后，费米卫星首先报告，在冰立方给的方向仅相差0.1度的地方，有个一个月前就开始闪耀的耀变体，开始变得特别明亮。很快，十几台射电、光学、伽玛望远望也观察到了显著信号，比如大西洋上的MAGIC大气切伦科夫望远镜。
实际上2016年冰立方就报道了活动星系核与高能中微子的关联，相关性为95%，从严格的科学标准来看并不够高，因此存在争议。
在发现这个中微子后，冰立方重新检查了以前的数据，在这个方向上又找到一些中微子，使相关性达到了99.9%，约为3.5倍标准偏差。不过离科学发现的5倍标准偏差标准还差一点。
冰立方计划近期开始升级，将体积增大10倍。即便现在的结果不足以让人信服，未来也肯定能毫无争议地确定答案。
有意思的是，冰立方也可以在其中心一小块区域加大光传感器的密度，更准确地探测大气中微子，从而确定中微子的质量顺序（这个实验称为PINGU），而这是建设中的江门中微子实验的主要科学目标之一。假如PINGU实验得到高优先权的话，将是江门实验最有力的竞争对手。不过项目团队经过旷日持久的讨论，将优先权放在了扩大冰立方阵列上。毕竟，质量顺序有多个实验可以做，而冰立方只有一个。
高能宇宙线起源之谜
耀变体（Blazar）是活动星系核的一种，是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生剧烈天文现象。黑洞将吸积物质的引力能，或者黑洞的转动能量，转化为强大的相对论喷流。如果喷流指向我们的视线，就构成耀变体。
高能宇宙线的起源是百年之谜，我们既不知道它们从哪儿来，也不知道其加速机制。人们猜测它的来源可能包括中子星、伽玛射线暴、极端超新星、活动星系核等。
在耀变体喷流中，带电粒子可以加速到极高能量。由于带电粒子受宇宙中磁场的偏转，当它们到达地球时，我们并不知道它们来自何处。也许它们已在银河系中旋转了几十圈，才飘飘荡荡地抵达地球。被喷流加速的质子或者核，与物质相互作用时能产生高能介子，最终衰变成光子和中微子，而中微子是不受磁场干扰的，能够直指源头。看到290 TeV的中微子，意味着耀变体喷流可以产生至少几万TeV的质子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。



耀变体（Courtesy： A Marscher， PhysicsWorld）
歪打正着的理论家



冰立方与引力波天文台LIGO是美国科学基金委支持的两大项目。跟LIGO几个不着调的倡议者一样，冰立方天文台的创建者弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）也是理论家。他曾说，假如他有点实验经验的话，就不会提出做冰立方实验，因为他不知道一般冰中会有大量气泡，光子散射非常严重，导致无法重建出中微子的方向。可是实验建成后，出人意料地发现南极地底的冰跟别处不一样，上万年的压力将冰压得非常密实，光散射问题比预想要好得多。
据报道，德国科学家领导的国际科研团队在最新一期《自然·物理学》杂志报告称，位于南极冰层下的中微子探测器冰立方（IceCube）曾在2012年发现了超高能中微子，现在，他们首次为其找到了一个位于银河系外的源头，这一重大发现有可能开启中微子天体物理学的新时代。
中科院高能物理研究所曹俊研究员对科技日报记者解释称，在宇宙大爆炸时期，中微子是产生得最多的粒子之一，现今仍大量产生于恒星内部的核反应，以及宇宙射线撞击地球大气层的过程。
中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（有的小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

中微子个头小，不带电，可自由穿过地球，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的隐身人。科学界从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。
2012年，冰立方发现了有史以来能量最高的中微子，其能量高达2000万亿电子伏特，这比大型强子对撞机产生的高能质子还要高300倍，如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。在过去几年中，科学家一直在搜寻可能产生它们的奇异天体活动。
最近，科学家们对来自距离地球90亿光年之外的PKSB1424-418活动星系产生的射电和伽马射线数据进行了分析。结果表明，中微子和活动星系爆发在时间和方向上一致，由此，推断出中微子可能来自此银河系外活动星系的爆发，使其成为首个拥有银河系之外源头的超高能中微子事件。