從中微子到高能物理，只需要這7個(gè)中微子信號(hào)

科學(xué)家們掀開(kāi)了中微子神秘面紗的一角

位于南極點(diǎn)冰立方中微子天文臺(tái)（IceCube Neutrino Observatory），小圖為被冰立方天文臺(tái)檢測(cè)到的中微子與物質(zhì)反應(yīng)后產(chǎn)生的光子和τ子衰變。

天文學(xué)家利用被深深的埋藏在南極冰層下的冰立方天文臺(tái)找到了七個(gè)穿透地球的神秘“幽靈粒子”候選人。這些信號(hào)被認(rèn)為是天體物理性τ中微子（astronomical τ neutrinos）；它們是高能物理事件和人類(lèi)之間非常重要的信使。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子被認(rèn)為是不帶電，無(wú)質(zhì)量的粒子（實(shí)際實(shí)驗(yàn)將中微子質(zhì)量上限劃在10-37kg，而實(shí)驗(yàn)表明中微子是帶有一個(gè)極其微小的質(zhì)量）。由于其極小的質(zhì)量，它們可以在宇宙中以接近光速的速度穿行。奇怪的是，正因?yàn)橹形⒆舆@些特征導(dǎo)致它們幾乎不予其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。如果你是一個(gè)中微子探測(cè)器的話，大約100兆個(gè)中微子會(huì)在一秒內(nèi)穿過(guò)你，而你要等大約100年才能等到一個(gè)中微子與你體內(nèi)的一個(gè)粒子發(fā)生反應(yīng)。這也是為什么中微子被稱為“幽靈粒子”。

高能中微子一般產(chǎn)生于銀河系邊緣的高能物理事件，我們稱它為天體物理性中微子。這種中微子有著三種“味”（flavor，一個(gè)描述基本粒子的物理量，類(lèi)似于種類(lèi)），電中微子，μ中微子，τ中微子。這三味中微子都十分的難以捉摸，但是它們還是被冰立方天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了，2013年冰立方天文臺(tái)首次捕捉到了這類(lèi)中微子的信號(hào)?，F(xiàn)在，他們貌似檢測(cè)到了天體物理性τ中微子，這可能是一種我們從未接觸過(guò)的全新粒子。

“結(jié)合非常低的背景噪聲，這次檢測(cè)到的7個(gè)信號(hào)十分有可能是正兒八經(jīng)的τ中微子，” 道格·考恩，這項(xiàng)研究的副領(lǐng)導(dǎo)人，賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)教授在一份聲明中說(shuō)道?！斑@次發(fā)現(xiàn)的天體物理性τ中微子同時(shí)也會(huì)為冰立方之前的中微子信號(hào)提供一個(gè)確認(rèn)?！?/p>

冰層之下

為了檢測(cè)這些穿透地球的中微子信號(hào)，冰立方采用的許多串被稱為數(shù)字光學(xué)模塊（Digital Opitcal Modules, DOMs）的金球。

（DOMs，圖源：Science Collection Group）

這些金球被深埋在冰層之下，總共有5160個(gè)DOM被如此的埋藏在南極的冰層下。當(dāng)中微子與南極的冰分子發(fā)生發(fā)應(yīng)并產(chǎn)生帶電粒子后，這些粒子會(huì)發(fā)出藍(lán)色的光并被DOM記錄下來(lái)。

特別的，當(dāng)天體物理性τ中微子與南極的冰分子發(fā)生反應(yīng)之后，產(chǎn)生的粒子會(huì)帶有一個(gè)特殊的波長(zhǎng)，包括獨(dú)特的雙聯(lián)級(jí)事件導(dǎo)致的輻射具有獨(dú)特的雙峰值信號(hào)。

過(guò)去，冰立方捕捉到了類(lèi)似與τ中微子粒子的信號(hào)，但是道格·考恩為了準(zhǔn)確性，想確認(rèn)它們是真正的τ中微子。

其他味的中微子可以被冰立方“實(shí)時(shí)”的檢測(cè)到，但是τ中微子不行。這些幽靈粒子要在十年中收集的數(shù)據(jù)中尋找蛛絲馬跡。但是，研究團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有決定苦苦的人力尋找這些信號(hào)。他們使用了一種名叫“圖像分類(lèi)優(yōu)化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的方法去研究冰立方在2011到2020年內(nèi)收集的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)分析，這些數(shù)據(jù)最終給出了7個(gè)很有可能的τ中微子候選人。研究團(tuán)隊(duì)也考慮到了假信號(hào)的可能性，但是道格·考恩說(shuō)假信號(hào)的可能性大約為三百五十萬(wàn)分之一。

目前的信號(hào)僅僅用到了三串DOM檢測(cè)器，但是未來(lái)的分析會(huì)用到更多冰層下的DOM探測(cè)器。這不僅會(huì)提升檢測(cè)到的τ中微子數(shù)量，還會(huì)幫助科學(xué)家們進(jìn)行第一個(gè)研究三代中微子震蕩的實(shí)驗(yàn)。中微子震蕩是指中微子在穿越很長(zhǎng)距離中改變自己的味的過(guò)程。

了解中微子震蕩的過(guò)程對(duì)于了解中微子產(chǎn)生過(guò)程，它們?yōu)槭裁礊樵谟钪嬷虚L(zhǎng)途跋涉如此長(zhǎng)的距離而不被影響，和中微子震蕩產(chǎn)生的原因具有重要意義。

“總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)令人驚喜的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)用τ中微子打開(kāi)物理的全新大門(mén)?！?道格·考恩總結(jié)道。

研究團(tuán)隊(duì)的研究成果被發(fā)表在了arXiv的論文庫(kù)中，并被《物理評(píng)論快報(bào)》所接受。

相關(guān)知識(shí)

中微子（意大利語(yǔ)：Neutrino，其字面上的意義為“微小的電中性粒子”，又譯作微中子）是一種電中性的基本粒子[4]，自旋量子數(shù)為?，以希臘字母ν標(biāo)記?，F(xiàn)在已經(jīng)有證據(jù)表明其具有質(zhì)量。但其質(zhì)量即使相比于其他亞原子粒子也是非常微小的。它可能是現(xiàn)在唯一一種已探測(cè)到的暗物質(zhì)，是一種熱暗物質(zhì)。[5]

中微子與電子、μ子以及τ子同屬輕子，有三種“味”：電中微子

。每種味的中微子都相應(yīng)存在一種同樣電中性且自旋量子數(shù)為?的反中微子。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子的產(chǎn)生過(guò)程遵循輕子數(shù)守恒定律。

由于中微子是電中性的，同時(shí)還是一種輕子，因此不參與強(qiáng)相互作用以及電磁相互作用,而只參與引力相互作用以及弱相互作用。[4] 由于弱相互作用距離非常短，而引力相互作用在亞原子尺度下又是十分微弱的，因而中微子在穿過(guò)一般物質(zhì)時(shí)不會(huì)受到太多阻礙，且難以檢測(cè)。

中微子可以通過(guò)放射性衰變以及核反應(yīng)等多種方式產(chǎn)生。由于太陽(yáng)內(nèi)部時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生著核反應(yīng)，而超新星產(chǎn)生等過(guò)程也會(huì)伴隨著劇烈的核反應(yīng)，因而在宇宙射線中可以檢測(cè)到中微子的存在。地球附近所檢測(cè)到的中微子大多來(lái)源于太陽(yáng)。事實(shí)上，地球面向太陽(yáng)的區(qū)域每秒鐘在每平方厘米上都會(huì)穿過(guò)大約650億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子。[6]

人們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到中微子在飛行過(guò)程中會(huì)在不同味間振蕩，比如β衰變中產(chǎn)生的電中微子可能在檢測(cè)時(shí)會(huì)變?yōu)棣讨形⒆踊颚又形⒆?。這一現(xiàn)象表明中微子具有質(zhì)量，且不同味的中微子的質(zhì)量也是不同的。依據(jù)現(xiàn)在宇宙學(xué)探測(cè)的數(shù)據(jù)，三種味的中微子質(zhì)量之和小于電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。

BY: Robert Lea

FY: Chen Li

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