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超高能中微子发现使宇宙射线起源之谜变复杂
2022-07-08

这张插图显示的是IceCube中微子观测站的最新发现。每个空心圆圈表示的是未受撞击的光学模块;填色的圆圈则是受到撞击的模块,半径的大小表示所探测到的光子数量。颜色代表的是相对时间(按红色、橙色、黄色、绿色和蓝色的次序)。不过,在选定的尺度上,时间并没有太大用处。

新浪科技讯 北京时间9月2日消息,近日,在南极的IceCube中微子观测站,研究人员探测到了第4个超高能中微子,这也是目前发现的能量最高的中微子。IceCube观测站位于南极的冰层之下,在1立方公里的范围内布置了数千个探测器,用于捕捉中微子击中原子时产生的闪光。

在一项对μ中微子天体物理的探索中,德国亚琛工业大学的研究人员获得了这一发现。他们的主要研究目标是确定此前IceCube对其他宇宙中微子的测量是否准确。新的超高能量中微子是一个意料之外的收获。

科学家曾经希望超高能量中微子能引出超高能量宇宙射线——如星系中央的超大质量黑洞或极超新星爆发,但据劳伦斯伯克利国家实验室的斯潘塞·克莱恩(Spencer Klein)介绍,近期的中微子新发现只会使宇宙射线的起源之谜变得更加扑朔迷离。

借助5160个光学探测器观察到的μ子轨迹,研究者发现了这个新的中微子。这些探测器所用的电子设备由劳伦斯伯克利国家实验室的科学家和工程师参与设计并建造。μ子与电子具有相似的性质,在μ中微子与原子核相互作用时会释放μ子。新发现的μ子具有极高的能量,约为2600TeV,它只能由一个超高能量的中微子产生。该μ子的轨迹长达数公里,IceCube的探测器无法捕捉到全部轨迹。这意味着,释放μ子的中微子所具有的能量很可能比探测器观测到的高好几倍。

与μ子将科学家引向中微子类似,中微子也能指向宇宙射线的起源问题。据推测,宇宙射线是来源于银河系外超高能量源的带电粒子。由于带有电荷,这些粒子到达地球的轨迹常常是混乱、扭曲的,围绕在太空中的磁场周围。

科学家认为,超高能中微子与宇宙射线具有相同的来源,而与后者不同的是,中微子是中性的,它们因此也能以直线传播。因此,如果捕获到一个中微子,只要顺着它来的方向,就可以追溯到宇宙射线的来源。

然而,近几年中,太空中指向中微子可能源头的探测器并没有给出明显的候选来源。事实上,当探测器指向新发现中微子到来的方向时,并没有发现任何高能的现象。因此,有些理论物理学家提出,这些超高能中微子实际可能是宇宙诞生时的遗留,并不会像物理学家之前认为的那样具有对称性。

与此同时,近期对IceCube观测站以往数据的分析显示,传统认为的宇宙射线来源,如超大质量黑洞的可能性依然很高。当然,超高能量中微子和宇宙射线的来源问题还远没有解决,新发现的中微子也并没有为这一问题提供线索。“IceCube观测站的许多人,包括我在内,都花了相当多的时间,试图搞清楚这意味着什么,”克莱恩说,“但现在我们还什么都不知道。”

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