宇宙中微子的“扭结”有助于解释这些粒子的起源
宇宙中微子是来自太空的亚原子粒子，由于其极难探测，以至于需要公里级探测器才能发现它们。近日，位于南极的巨型中微子探测器冰立方的物理学家报告称，这些几乎无法探测到的粒子的能量谱存在一个“扭结”，它可以帮助揭示中微子的来源。相关论文即将在《物理评论快报》发表。
示意图：由中微子产生的μ子从右向左穿过冰立方的光电探测器，留下了一条可探测的“径迹”光迹。图片来源：ICECUBE COLLABORATION
“这是一项开创性成果。”美国加州大学欧文分校的理论天体物理学家Kevork Abazajian评价道。荷兰乌得勒支大学的中微子天体物理学家、由450名成员组成的冰立方团队的发言人Erin O 'Sullivan表示：“现在，我们进入了一个新时代——可以开始对这些中微子来源的性质进行真正详细的测量。”
几乎没有质量的中微子，是由某些粒子相互作用和衰变产生的。每一秒钟，太阳核聚变产生的数万亿个中微子会涌向我们每一个人。为了探测来自超新星爆发和其他来源的高能中微子，研究人员将5160个光电探测器沉入1立方公里的极地冰层中。当中微子撞击到探测器的原子核时，会产生大量带电粒子，这些粒子在穿越透明冰层时会发出闪光。
在过去十年里，冰立方探测到了银河系的中微子辉光，发现了邻近的乌贼星系发出的中微子，并捕捉到一种称为耀变体的短暂事件产生的中微子。中微子被认为来自与产生带电宇宙射线相同的剧烈过程，因为宇宙中微子是由质子和原子核等带电粒子的衰变和碰撞产生的。但具体是哪种天体物理来源产生了特定能量范围内的粒子，仍然存在争议。而宇宙射线和宇宙中微子的能谱可能隐藏着它们起源的线索。
随着能量的增加，粒子的丰度急剧下降：能量每增加10倍，探测到的粒子数量就减少超过100倍。从数学上讲，这种关系被称为幂律。但除了这一主要趋势外，宇宙射线能谱还呈现出几处细微的“褶皱”。例如，在约500千万亿电子伏特能量附近，能谱出现了一个宽阔的“膝”形结构。美国纽约大学的理论天体物理学家Glennys Farrar解释说，这一凸起被认为是在这个能量区间，银河系自身产生的宇宙射线逐渐消失，只剩下更稀少、能量更高的河外宇宙射线。
测量宇宙中微子的光谱以寻找相似特征是一项艰巨的任务，因为宇宙中微子必须从宇宙射线撞击大气层时产生的中微子洪流中筛选出来。中微子有3种不同类型——电子、μ子和τ子——当它们撞击冰层时，都能产生相当紧凑的“簇射”。然而，一个μ子中微子也可以产生一种被称为μ子的子弹状粒子，它可以穿越数千米的冰层。这种“轨迹”很容易被发现。
冰立方团队使用了13年的数据，通过两种方式进行分析。首先，他们使用常规方法测量1万次簇射事件和23万条径迹事件。其次，他们运用机器学习在数据中搜寻更罕见的事件，即簇射或径迹始于探测器内部的事件。这种先进工具筛选出了5千次簇射和5千条径迹，并对产生这些径迹的中微子的能量给出更精确的估计。
主导机器学习分析的美国特拉华大学的粒子天体物理学家、冰立方成员Aswathi Balagopal V.表示，在两种情况下，他们都发现在30万亿电子伏特能量处存在一个凸起或“拐折”的能谱。两个独立团队进行了分析也都得出相同结果。
美国宾夕法尼亚州立大学的宇宙射线物理学家Stephane Coutu表示，这一结果是“重要、有趣和可信的”。事实上，宇宙中微子能谱中的特征可能比宇宙射线能谱中的特征更能揭示其信息。Coutu指出，宇宙射线会受到银河磁场的偏转影响，并可能被途中的气体阻挡，而中微子则从源头直接不受阻碍地飞来，因此“我们在这里看到的一切直接反映了源头的实际情况”。
为弄清楚到底发生了什么，研究人员将尝试建立宇宙射线和中微子能谱中独特特征之间的联系。Farrar认为，宇宙中微子能谱中的特征可能是宇宙射线“膝”区的一种反映，即银河系宇宙射线的通量在此减弱。“在这一能量范围内存在中微子，但由于没有更高能量的银河系宇宙射线而导致通量被截断，这是极其自然的。”
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