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发现高能中微子源,研究预示着粒子物理学的“新时代”

在南极洲表面深处,科学家正在寻找鬼魂。 被称为“中微子”的微小粒子充满了宇宙,但它们几乎不可能被发现。 几十年来,他们的神秘起源一直困扰着研究人员。

现在,在一项预示着中微子研究的“新时代”的发现中,物理学家终于确定了一个来源。 研究人员在南极探测一个巨大的冰块,认为一个暴力的“blazar”星系正在制造出隐形的斑点。 他们在“ 科学 ”杂志上发表的 报告了他们的结果

这一发现还揭示了一个超过100年的神秘面纱,帮助科学家了解宇宙中辐射的宇宙射线。

“如果你现在伸出拇指,那么每秒有十亿个中微子通过你的缩略图。 伦敦大学物理学家Linda Cremonesi告诉新闻周刊 ,他们正在通过你的[钉子],通过你的身体,通过一切。

但这些幽灵般的粒子几乎从不与物质相互作用。

“每一秒我们都有100万亿个中微子通过我们的身体,但在我们的一生中,我们平均只会与其中一个相互作用,”没有参与这项研究的克雷蒙尼斯说。

这种隐秘的旅行使中微子成为完美的侦察兵,通过它可以侦察宇宙中最深,最黑暗的部分。 克雷莫尼斯解释说,虽然一张纸可以吸收光的光子,但中微子可以在未被发现的情况下传播。

这就是为什么这一发现可能标志着“中微子天文学新时代的开始”的原因,她补充说。 但这也是为什么粒子很难找到的原因。

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在这个艺术作品中,基于南极冰立方实验室的真实图像,遥远的光源发出的中微子被IceCube传感器在冰下探测到。 冰立方/ NSF

斯德哥尔摩大学的Chad Finley告诉新闻周刊说: 与中微子有关的所有事情的核心难点始终是相同的:它们几乎从不与物质相互作用。” “抵达地球的绝大多数[中微子]将通过而不会留下痕迹。 这为他们赢得了“幽灵粒子”这个名字。“

位于南极的IceCube设施像望远镜一样探测中微子。 但它不是指向太空,而是埋在深埋在地下深处的一大块冰中。

考虑在像太阳这样的核反应堆的翻腾肚子里锻造,幻影斑点涌入宇宙 - 丰富但孤独。 芬利解释说,只有一小部分可能会与物质发生相互作用。

德雷克塞尔大学的IceCube研究员Naoko Kurahashi Neilson告诉新闻周刊 ,IceCube寻找“高能”中微子,其中单个粒子几乎有微焦耳的能量。 最有活力的中微子应该揭示最高能量的天体物理过程。

“当高能中微子与原子碰撞时,一团亚原子粒子向同一方向爆炸,”芬利说,他也是一名IceCube研究员。

这种相互作用产生了微弱的蓝光,穿过清澈的原始冰。 芬利解释说,IceCube的传感器分布在大约四分之一立方英里的范围内,所以他们正在观看大约十亿吨的氢和氧原子等待撞击一两个中微子。

Kurahashi Neilson说,数百万到数十亿的粒子穿过IceCube,因此一群顶尖科学家正在努力从这种阴霾中滤除中微子。 来自12个国家49个机构的约300名研究人员参与了这场寒冷的狩猎活动。

虽然IceCube之前曾检测过中微子,但2017年9月22日发现的一个事件最终指向了科学家的特定来源。 这个中微子排列着一个距离我们40亿光年远的明亮物体 - 一个叫做TXS 0506 + 056的blazar。

Blazars-galaxies围绕着饥饿的黑洞,它们围绕着轨道物质喷射并向地球方向喷射等离子喷射器 - 是现存中最具活力的一些现象。

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在这张红外图像中,星星照亮了银河系。 科学家们希望利用中微子探索太空。 JPL-加州理工学院/ NASA

当团队从2014 - 2015年回顾他们的研究时,他们将更多的中微子事件与同一来源相匹配。 这让他们非常自信 - 很久以前 - 中微子从遥远的诅咒中爆发出来,然后慢慢地前往地球。 “我们已经计算出只有0.02%的可能性这只是巧合,”Kurahashi Neilson说道。

除了像太阳一样的火星和恒星,科学家们认为中微子也可能来自伽马射线爆发,超新星遗迹,星暴星系和其他高能量天文现象。 但到目前为止,研究人员尚未将任何神秘粒子与这些来源联系起来。

如果blazar的发现不够具有革命性,那么IceCube的研究也促进了科学家对宇宙射线的理解 - 高能射线渗透到我们的太阳系中。 “[中微子被认为来自高能粒子碰撞,在那里产生宇宙射线。 但是高能宇宙射线的来源本身并不为人所知,“芬利解释说。 “这几十年来一直是天体物理学中最大的未解决问题之一。”

新的研究表明,火星也可能是这种高能宇宙辐射的来源。

许多其他的中微子谜团仍在等待IceCube Collaboration。 科学家们很想知道是否有其他的火星正在抽出颗粒物,以及隐形斑点喷出的其他地方。

“这项测量确实启动了中微子天文学领域,”来自阿尔伯塔大学的IceCube研究员Darren Grant告诉新闻周刊

“自从黎明时分以来所有的天文学一直在使用光。 我们知道恒星在哪里,星系在哪里,因为我们在光子中看到它们,“Kurahashi Neilson说。 “现在我们想看看中微子在宇宙中的样子。”