中微子(“幽灵粒子”)是如何产生的?

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中微子是名副其实的幽灵粒子,它们能够悄无声息地穿过人体和墙壁,神不知鬼不觉。但自 100 多年前首次被发现以来,中微子一直是一个谜团:科学家对这种粒子的来源十分困惑。它们就像飘散在空间中的幽灵,没有人知道它们为什么在空间中,也没有人知道这些幽灵粒子是如何产生的。

可中微子本身对于人类探索宇宙来说意义重大,它和引力波一样,都携带了许多重要信息。因此,自引力波之后,人类探索宇宙的下一个重大发现也被认为或许就藏在宇宙中微子中。

1956 年,人类直接观测到了中微子,而来自太阳系外的高能中微子也被人们与2013 年成功捕获。但是,人类一直不明白一些宇宙中的高能中微子究竟是哪个天体产生的。直到不久前,科学家首次确认了高能中微子的产生源头之一 耀变体,一种在中心有快速旋转黑洞的星系。

同时,此次探索的高能中微子也是迄今观测到的最高能中微子,其能量是太阳中微子能量的 10 亿倍,而这些中微子在到达地球之前,已旅行了 37 亿光年。研究发表在7 月 12 日的《科学》杂志上。

一次意外发现和全球大接力

对于天文学家们来说,中微子让他们又爱又恨:因难以检测臭名昭著,但却可提供光观测不可比拟的关键优势:宇宙对高于特定能量的电磁辐射来讲几乎是透明的,换句话说,高能中微子可以毫无阻碍地穿梭整个宇宙。

图丨加拿大物理学家阿瑟麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章曾因其中微子研究获得2015诺贝尔物理学奖

而且,由于中微子是一种几乎没有质量且不带电的粒子,它们以光速移动,很少与其他物质发生作用,无论它们走了多远,其携带的最原始的信息一直得到保留。

科学家们通过对这样的中微子进行研究,可以一直追溯至产生它的银河系外事件,可能还包括宇宙深处最高能的事件。所以说,捕获(实际不能真的捕获,只是收集中微子撞到探测器时探测器传回的数据)并研究这类源自太空深处的中微子,对天文工作来说则至关重要。

而这一次研究的高能中微子,其地球之旅的曝光实际上发生在 2023 年 9 月。

图 | 耀变体将中微子和伽马射线射向地球

当时,位于南极冰层下方的 IceCube 探测器捕捉到了一个来自深空的中微子,它被科学家命名为 IceCube-170922A。与此同时,另一个绕地球运行的望远镜也检测到了来自同一方向的极高能辐射。

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