來自耀變體的中微子

今天出版的Science雜志刊登封面文章，“冰立方”中微子天文臺找到耀變體發(fā)射超高能中微子的證據(jù),。

冰立方(（IceCube）是美國設(shè)在南極洲極點(diǎn)處的中微子天文臺,。它由分布在1立方公里內(nèi)的86串光傳感器（光電倍增管）構(gòu)成，每串60個,，位于冰層下1450米到2450米,。當(dāng)高能中微子被冰俘獲，產(chǎn)生帶電粒子,，穿過傳感器陣列,，將產(chǎn)生切倫科夫光，從而被探測到,。

   (IceCube)

2017年9月22日,，冰立方探測到一個能量為290 TeV的中微子。作為對比,，目前能量最高的加速器——?dú)W洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī),，只能把粒子加速到7 TeV,。

冰立方的主要科學(xué)目標(biāo)是通過中微子尋找高能宇宙射線的起源。為此,，它建立了一個預(yù)警網(wǎng)絡(luò),，對每個超高能中微子，實(shí)時重建出其方向,，發(fā)布給其它望遠(yuǎn)鏡，以便通過射電,、光學(xué),、伽瑪?shù)炔ǘ斡^測對應(yīng)的天體活動。觀測到這個中微子后43秒,，自動預(yù)警信息發(fā)出,。4小時后伽瑪射線協(xié)作網(wǎng)發(fā)出通知。

290 TeV的中微子（Science 361,146(2018)）

剛開始,，幾個天文臺并沒有看到任何反常信號,。6天后，費(fèi)米衛(wèi)星首先報(bào)告,，在冰立方給的方向僅相差0.1度的地方,，有個一個月前就開始閃耀的耀變體，開始變得特別明亮,。很快,，十幾臺射電、光學(xué),、伽瑪望遠(yuǎn)望也觀察到了顯著信號,，比如大西洋上的MAGIC大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。

高能宇宙線起源之謎

耀變體（Blazar）是活動星系核的一種,，是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質(zhì)而產(chǎn)生劇烈天文現(xiàn)象,。黑洞將吸積物質(zhì)的引力能，或者黑洞的轉(zhuǎn)動能量,，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的相對論噴流,。如果噴流指向我們的視線，就構(gòu)成耀變體,。

高能宇宙線的起源是百年之謎,，我們既不知道它們從哪兒來，也不知道其加速機(jī)制,。人們猜測它的來源可能包括中子星,、伽瑪射線暴、極端超新星,、活動星系核等,。

在耀變體噴流中,，帶電粒子可以加速到極高能量。由于帶電粒子受宇宙中磁場的偏轉(zhuǎn),，當(dāng)它們到達(dá)地球時,，我們并不知道它們來自何處。也許它們已在銀河系中旋轉(zhuǎn)了幾十圈,，才飄飄蕩蕩地抵達(dá)地球,。被噴流加速的質(zhì)子或者核，與物質(zhì)相互作用時能產(chǎn)生高能介子,，最終衰變成光子和中微子,，而中微子是不受磁場干擾的，能夠直指源頭,?？吹?90 TeV的中微子，意味著耀變體噴流可以產(chǎn)生至少幾萬TeV的質(zhì)子和核,，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地,。

耀變體(Courtesy: A Marscher, PhysicsWorld)

謎底解開了嗎？

實(shí)際上2016年冰立方就報(bào)道了活動星系核與高能中微子的關(guān)聯(lián),，相關(guān)性為95%,，從嚴(yán)格的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來看并不夠高，因此存在爭議,。

在發(fā)現(xiàn)這個中微子后,，冰立方重新檢查了以前的數(shù)據(jù)，在這個方向上又找到一些中微子,，使相關(guān)性達(dá)到了99.9%,，約為3.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。不過離科學(xué)發(fā)現(xiàn)的5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)還差一點(diǎn),。

冰立方計(jì)劃近期開始升級,，將體積增大10倍。即便現(xiàn)在的結(jié)果不足以讓人信服,，未來也肯定能毫無爭議地確定答案,。

有意思的是，冰立方也可以在其中心一小塊區(qū)域加大光傳感器的密度,，更準(zhǔn)確地探測大氣中微子,，從而確定中微子的質(zhì)量順序（這個實(shí)驗(yàn)稱為PINGU），而這是建設(shè)中的江門中微子實(shí)驗(yàn)的主要科學(xué)目標(biāo)之一,。假如PINGU實(shí)驗(yàn)得到高優(yōu)先權(quán)的話,，將是江門實(shí)驗(yàn)最有力的競爭對手。不過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過曠日持久的討論,，將優(yōu)先權(quán)放在了擴(kuò)大冰立方陣列上,。畢竟,，質(zhì)量順序有多個實(shí)驗(yàn)可以做，而冰立方只有一個,。

歪打正著的理論家

冰立方與引力波天文臺LIGO是美國科學(xué)基金委支持的兩大項(xiàng)目,。跟LIGO幾個不著調(diào)的倡議者一樣，冰立方天文臺的創(chuàng)建者弗朗西斯·赫爾任（Francis Halzen）也是理論家,。他曾說,，假如他有點(diǎn)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的話，就不會提出做冰立方實(shí)驗(yàn),，因?yàn)樗恢酪话惚袝写罅繗馀?，光子散射非常?yán)重，導(dǎo)致無法重建出中微子的方向,。可是實(shí)驗(yàn)建成后,，出人意料地發(fā)現(xiàn)南極地底的冰跟別處不一樣,，上萬年的壓力將冰壓得非常密實(shí)，光散射問題比預(yù)想要好得多,。

赫爾任顯然是未來諾貝爾獎的有力候選者,，希望他能長壽。

附：高能中微子：窺見遠(yuǎn)古宇宙（弗朗西斯·赫爾任著,，曹俊譯）

http://xw.xinhuanet.com/news/detail/221349/

附2016年新聞：

超高能中微子的銀河系外之“家”獲證實(shí)

或?qū)㈤_啟中微子天體物理學(xué)新時代

科技日報(bào)北京4月20日電 （記者劉霞）德國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志報(bào)告稱,，位于南極冰層下的中微子探測器“冰立方（IceCube）”曾在2012年發(fā)現(xiàn)了超高能中微子，現(xiàn)在,，他們首次為其找到了一個位于銀河系外的源頭,，這一重大發(fā)現(xiàn)有可能開啟中微子天體物理學(xué)的新時代。

中科院高能物理研究所曹俊研究員對科技日報(bào)記者解釋稱,，在宇宙大爆炸時期,，中微子是產(chǎn)生得最多的粒子之一，現(xiàn)今仍大量產(chǎn)生于恒星內(nèi)部的核反應(yīng),，以及宇宙射線撞擊地球大氣層的過程,。

中微子的質(zhì)量非常小，不帶電,，很少與其他物質(zhì)相互作用,，很難被探測到。不過,，在極少情況下,，中微子會撞到原子，產(chǎn)生能發(fā)出一種藍(lán)色閃光的帶電粒子,，像電子或繆子,，這種藍(lán)色閃光能被“冰立方”探測到,。

2012年，“冰立方”發(fā)現(xiàn)了有史以來能量最高的中微子,，其能量高達(dá)2000萬億電子伏特,，這比大型強(qiáng)子對撞機(jī)產(chǎn)生的高能質(zhì)子還要高300倍，如此高能量的中微子應(yīng)來自極高能量的宇宙線粒子的碰撞過程,。在過去幾年中,，科學(xué)家一直在搜尋可能產(chǎn)生它們的奇異天體活動。

最近,，科學(xué)家們對來自距離地球90億光年之外的“PKS B1424-418”活動星系產(chǎn)生的射電和伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,。結(jié)果表明，中微子和活動星系爆發(fā)在時間和方向上一致,，由此,，推斷出中微子可能來自此銀河系外活動星系的爆發(fā)，使其成為首個擁有銀河系之外源頭的超高能中微子事件,。

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院王祥玉教授接受采訪時表示：“盡管目前科學(xué)家們還不能排除巧合,，無法100％確信這一中微子來自此活動星系，但高達(dá)95％的相關(guān)性是迄今最高的,。最新研究表明,，可能有一部分中微子來自銀河系外的活動星系，有助于科學(xué)家們進(jìn)一步厘清高能中微子的來源,?！?/p>