科学家们掀开了中微子神秘面纱的一角

位于南极点冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory），小图为被冰立方天文台检测到的中微子与物质反应后产生的光子和τ子衰变。

天文学家利用被深深的埋藏在南极冰层下的冰立方天文台找到了七个穿透地球的神秘“幽灵粒子”候选人。这些信号被认为是天体物理性τ中微子（astronomical τ neutrinos）；它们是高能物理事件和人类之间非常重要的信使。

在标准模型中，中微子被认为是不带电，无质量的粒子（实际实验将中微子质量上限划在10-37kg，而实验表明中微子是带有一个极其微小的质量）。由于其极小的质量，它们可以在宇宙中以接近光速的速度穿行。奇怪的是，正因为中微子这些特征导致它们几乎不予其他物质发生反应。如果你是一个中微子探测器的话，大约100兆个中微子会在一秒内穿过你，而你要等大约100年才能等到一个中微子与你体内的一个粒子发生反应。这也是为什么中微子被称为“幽灵粒子”。

高能中微子一般产生于银河系边缘的高能物理事件，我们称它为天体物理性中微子。这种中微子有着三种“味”（flavor，一个描述基本粒子的物理量，类似于种类），电中微子，μ中微子，τ中微子。这三味中微子都十分的难以捉摸，但是它们还是被冰立方天文台发现了，2013年冰立方天文台首次捕捉到了这类中微子的信号。现在，他们貌似检测到了天体物理性τ中微子，这可能是一种我们从未接触过的全新粒子。

“结合非常低的背景噪声，这次检测到的7个信号十分有可能是正儿八经的τ中微子，” 道格·考恩，这项研究的副领导人，宾夕法尼亚州立大学物理学教授在一份声明中说道。“这次发现的天体物理性τ中微子同时也会为冰立方之前的中微子信号提供一个确认。”

冰层之下

为了检测这些穿透地球的中微子信号，冰立方采用的许多串被称为数字光学模块（Digital Opitcal Modules, DOMs）的金球。

（DOMs，图源：Science Collection Group）

这些金球被深埋在冰层之下，总共有5160个DOM被如此的埋藏在南极的冰层下。当中微子与南极的冰分子发生发应并产生带电粒子后，这些粒子会发出蓝色的光并被DOM记录下来。

特别的，当天体物理性τ中微子与南极的冰分子发生反应之后，产生的粒子会带有一个特殊的波长，包括独特的双联级事件导致的辐射具有独特的双峰值信号。

过去，冰立方捕捉到了类似与τ中微子粒子的信号，但是道格·考恩为了准确性，想确认它们是真正的τ中微子。

其他味的中微子可以被冰立方“实时”的检测到，但是τ中微子不行。这些幽灵粒子要在十年中收集的数据中寻找蛛丝马迹。但是，研究团队并没有决定苦苦的人力寻找这些信号。他们使用了一种名叫“图像分类优化卷积神经网络”的方法去研究冰立方在2011到2020年内收集的数据。

经过分析，这些数据最终给出了7个很有可能的τ中微子候选人。研究团队也考虑到了假信号的可能性，但是道格·考恩说假信号的可能性大约为三百五十万分之一。

目前的信号仅仅用到了三串DOM检测器，但是未来的分析会用到更多冰层下的DOM探测器。这不仅会提升检测到的τ中微子数量，还会帮助科学家们进行第一个研究三代中微子震荡的实验。中微子震荡是指中微子在穿越很长距离中改变自己的味的过程。

了解中微子震荡的过程对于了解中微子产生过程，它们为什么为在宇宙中长途跋涉如此长的距离而不被影响，和中微子震荡产生的原因具有重要意义。

“总的来说，这个令人惊喜的发现可能会用τ中微子打开物理的全新大门。” 道格·考恩总结道。

研究团队的研究成果被发表在了arXiv的论文库中，并被《物理评论快报》所接受。

相关知识

中微子（意大利语：Neutrino，其字面上的意义为“微小的电中性粒子”，又译作微中子）是一种电中性的基本粒子[4]，自旋量子数为½，以希腊字母ν标记。现在已经有证据表明其具有质量。但其质量即使相比于其他亚原子粒子也是非常微小的。它可能是现在唯一一种已探测到的暗物质，是一种热暗物质。[5]

中微子与电子、μ子以及τ子同属轻子，有三种“味”：电中微子

。每种味的中微子都相应存在一种同样电中性且自旋量子数为½的反中微子。在标准模型中，中微子的产生过程遵循轻子数守恒定律。

由于中微子是电中性的，同时还是一种轻子，因此不参与强相互作用以及电磁相互作用,而只参与引力相互作用以及弱相互作用。[4] 由于弱相互作用距离非常短，而引力相互作用在亚原子尺度下又是十分微弱的，因而中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍，且难以检测。

中微子可以通过放射性衰变以及核反应等多种方式产生。由于太阳内部时时刻刻都在发生着核反应，而超新星产生等过程也会伴随着剧烈的核反应，因而在宇宙射线中可以检测到中微子的存在。地球附近所检测到的中微子大多来源于太阳。事实上，地球面向太阳的区域每秒钟在每平方厘米上都会穿过大约650亿个来自太阳的中微子。[6]

人们现在认识到中微子在飞行过程中会在不同味间振荡，比如β衰变中产生的电中微子可能在检测时会变为μ中微子或τ中微子。这一现象表明中微子具有质量，且不同味的中微子的质量也是不同的。依据现在宇宙学探测的数据，三种味的中微子质量之和小于电子质量的百万分之一。

BY: Robert Lea

FY: Chen Li

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来源: 天文在线