在一亿吨透明冰中探测到七个罕见的高能中微子

　　每秒大约有一万亿个被称为中微子的微小粒子穿过你。这些“遗迹”中微子产生于宇宙大爆炸期间，存在于整个宇宙中，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一种可能会轻轻地敲击你体内的原子。

大多数由黑洞等物体产生的中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子具有更多的能量。虽然更为罕见，但这些高能中微子更有可能撞击到什么东西上，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测它们，中微子物理学家不得不进行非常大规模的实验。
冰立方就是这样一个实验，在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见的中微子。但我和同事们第一次成功地发现了它们，从近10年的数据中提取了一些。
它们的出现使像我这样的研究人员离解开天体物理中微子等高能粒子是如何产生的奥秘又近了一步。

冰立方天文台
冰立方中微子观测站是大型中微子实验中重达800磅的大猩猩。它有大约5000个传感器，十多年来一直在聚精会神地观察南极下的亿吨冰。当中微子与冰中的原子碰撞时，它会产生一个光球，传感器会记录下来。
IceCube已经探测到在几个地方产生的中微子，例如地球大气层、银河系中心和许多光年外其他星系的黑洞。
但τ中微子，一种能量特别大的中微子，迄今为止一直没有被冰立方发现。
冰立方中微子天文台
IceCube位于成吨的透明冰上，使科学家能够了解中微子的相互作用。（Cmichel67/Wikmedia Commons，CC BY-SA）
中微子口味
中微子有三种不同的类型，物理学家称之为味道。每种味道都会在IceCube这样的探测器上留下独特的印记。
当一个中微子撞击另一个粒子时，它通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，τ中微子产生τ。
具有μ介子味道的中微子具有最独特的特征，所以我和我在IceCube合作中的同事自然会首先寻找这些。μ介子-中微子碰撞发出的μ介子将穿过数百米的冰，在衰变之前形成一条可探测光的长轨迹。这条轨道使研究人员能够追踪中微子的起源。
该团队接下来研究了电子中微子，它们的相互作用产生了一个大致球形的光球。电子-中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞击到靠近的冰中的每一个粒子中。这种相互作用在电子最终静止之前留下了一个不断膨胀的光球。
由于电子中微子的方向很难用眼睛辨别，冰立方物理学家应用机器学习技术来指出电子中微子可能是在哪里产生的。这些技术利用复杂的计算资源，并调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。
第三种中微子，τ中微子，是三者中的变色龙。一种τ中微子可以以光的轨迹出现，而另一种则可以以球的形式出现。碰撞中产生的τ粒子在衰变前会传播很小的一秒钟，当它衰变时，通常会产生一团光。
这些τ中微子产生了两个光球，一个是它们最初撞击并产生τ，另一个是τ本身衰变。大多数时候，τ粒子只行进很短的距离后就会衰变，使两个光球重叠得如此之多，以至于无法与单个光球区分开来。
但在更高的能量下，发射的τ粒子可以传播几十米，导致两个光球彼此分离。拥有这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，大海捞针。
当中微子穿过冰立方时，其中一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下来。在视频中，球体代表单独的传感器，每个球体的大小与检测到的光成比例。根据彩虹的颜色，这些颜色表示光的相对到达时间，红色最早到达，紫色最晚到达。
高能τ中微子
利用这些计算工具，该团队成功地从大约10年的数据中提取了7个强大的候选τ中微子。这些τ的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器都要高，这意味着它们一定来自天体物理来源，比如黑洞。
这些数据证实了IceCube早期发现的天体物理中微子，也证实了IceCoube之前发现的天体物理学τ中微子的暗示。
这些结果还表明，即使在最高能量和很远的距离上，中微子的行为也与在较低能量下的行为大致相同。
特别是，天体物理τ中微子的探测证实了来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量低得多、传播距离短得多的中微子也以同样的方式振荡。
随着冰立方和其他中微子实验收集到更多的数据，科学家们越来越善于区分三种中微子的味道，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚地球和这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否根据粒子的质量对粒子进行了不同的处理。
与来自大爆炸的更常见的中微子相比，高能τ中微子及其μ介子和电子的近亲总是更少。但有足够的东西可以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究其间的无限空间。