高能中微子源自我们自己的星系

高能中微子源自我们自己的星系

冰立方（IceCube）合作团队最近发现，银河系中存在高能中微子通量，这一发现进一步证实了关于宇宙射线来源的理论假设。

中微子：宇宙中的神秘信使

中微子是宇宙中相互作用最少的粒子之一。由于其电中性和缺乏色荷，中微子几乎不受电磁场和强相互作用的影响。它们只在极短的距离内受到弱相互作用的影响，因此可以轻易穿过普通物质而不被探测到。据估计，每秒钟就有数万亿个来自太阳的中微子穿过我们的身体。

由于中微子与物质的相互作用非常微弱，它们成为了研究各种天文物理过程的理想信使。通过探测中微子，科学家可以追踪它们的来源方向，重建产生它们的事件。

宇宙射线的神秘来源

宇宙射线是太空中高速运动的高能粒子，能量范围从几GeV到几PeV不等。它们不断撞击地球大气层，对电子设备造成干扰，对太空人构成辐射风险。尽管宇宙射线被发现已有超过100年，但其高能通量的来源仍然是一个谜。

高能宇宙射线在穿越太空时会遇到星系磁场的干扰，导致其轨迹被打乱，难以确定其来源。当宇宙射线与星际介质相互作用时，会产生带电和电中性的π介子。电中性π介子会迅速衰变成伽马射线，而带电π介子则会产生中微子。这些中微子可以提供关于宇宙射线来源的重要线索。

冰立方：南极深处的中微子探测器

冰立方中微子天文台位于南极洲阿蒙森-斯科特南极站，是一个体积达一立方公里的冰层探测器，装有超过5000个球形光学传感器。当高能中微子与冰层中的水分子相互作用时，会产生契伦柯夫辐射，这是一种蓝色的光辐射，类似于超音速飞机产生的音爆。

通过测量契伦柯夫辐射的空间分布，科学家可以推断出粒子的能量和到达方向。然而，由于宇宙射线在地球大气中会产生大量中微子和缪子，冰立方探测器必须从一亿个大气缪子中筛选出一个天文物理中微子。为了降低背景噪声，研究团队开发了一套事件选择协议，主要关注级联事件，即中微子在单个位置释放大部分或全部能量的事件。

人工智能助力数据分析

为了更好地分析冰立方收集的十年数据，研究团队开发了一种混合人工智能技术。该技术的第一部分使用深度学习神经网络来识别级联中微子事件，第二部分则利用探测器收集的光分布来重建中微子的方向和能量。这种方法不仅提高了分析效率，还将入射中微子方向的角分辨率提高了两倍。

银河系中微子的发现

通过这些改进，合作团队发现了一个来自银河系平面的弥漫高能中微子信号。这个信号的能量约为30 TeV总通量的10%，与伽马射线发射一致。统计结果显示，这个信号是背景噪声随机产生的概率仅为十万分之一，即统计置信度为4.5个标准差。

这一发现证实了长期存在的假设，即高能宇宙射线与银河系内的物质相互作用是银河系中微子的主要来源。然而，要确定具体的点源还需要更多的数据。目前，科学家怀疑这些点源可能被弥漫中微子信号所掩盖。

未来展望

虽然目前的发现已经证实了银河系中微子的来源，但要确定具体的点源还需要更多的数据。科学家们正在努力寻找可能的点源，包括超大质量黑洞和活跃星系核。冰立方合作团队的理论物理学家Francis Halzen表示：“找出中微子的具体来源是我们下一个优先事项。”

这一发现不仅增进了我们对宇宙射线和中微子的理解，也为多信使天文学的发展开辟了新的途径。通过结合中微子、伽马射线和其他辐射的观测，科学家可以更全面地研究我们自己的星系。

本文原文刊登并收录于Physics Today, Jun. 2023杂志内 (Physics Today 76 (9), 13–15 (2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5303)。原文作者：Alex Lopatka。

图2：微中子景象。多年以来，天文学家通过无线电波、可见光与伽马射线发射来观察我们的银河系，以所有三个波长拍摄的影像清楚地显示银河系的中心与周围平面。在仔细分析冰立方微中子天文台的10年数据后，国际合作团队发现银河系是微中子的来源，这里显示通过银河系的弥漫微中子信号，在统计上与伽马射线发射一致（图片提供：IceCube Collaboration）。