冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）最近探測到了高能量tau中微子，這標誌著我們在了解天體物理中微子方面取得了重大進展。這些來自十年數據的發現支持了中微子跨越遙遠距離和能量振盪的觀點，有可能揭示來自黑洞等宇宙源的中微子的起源。

每秒鐘大約有一萬億個叫做中微子的微小粒子穿過你的身體。這些在宇宙大爆炸期間產生的”遺跡”中微子遍布整個宇宙，但它們不會傷害你。事實上，在你的一生中，只有一個中微子有可能輕觸你體內的一個原子。

由黑洞等天體產生的大多數中微子比漂浮在太空中的遺跡中微子能量大得多。雖然這些高能中微子更為罕見，但它們更有可能撞上某些東西，並產生像我這樣的物理學家可以偵測到的訊號。但為了偵測到它們，中微子物理學家不得不建造非常大型的實驗。

冰立方就是這樣一個實驗，它在2024年4月發表的一項研究中記錄了一種特別罕見的高能天體物理中微子。這些高能中微子經常偽裝成其他更常見類型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探測到了它們，從近10 年的數據中提取出了一些。

它們的出現讓像我這樣的研究人員離揭開天體中微子等高能粒子如何產生之謎更近了一步。

冰立方位於數以噸計的透明冰層上，讓科學家們能看到中微子的相互作用。資料來源：克里斯多福-米歇爾冰立方中微子天文台

冰立方中微子天文台是大型中微子實驗中重達800 磅的龐然大物。它擁有約5000 個感測器，十多年來一直在仔細觀察南極地下的千兆噸冰層。當中微子與冰層中的原子碰撞時，會產生光球，感測器會將其記錄下來。

當中微子穿過冰立方時，其中的一小部分會與冰中的原子相互作用並產生光，感測器會記錄這些光。在影片中，球體代表各個感測器，每個球體的大小與其偵測到的光的多少成正比。顏色表示光的相對到達時間，根據彩虹的顏色，紅色到達時間最早，紫色最晚。

冰立方已經偵測到在多個地方產生的中微子，如地球大氣層、銀河系中心以及許多光年外其他星系的黑洞。

但是，中微子中的一種高能中微子–tau 中微子，卻一直躲著冰立方–直到現在。

中微子有三種不同類型，物理學家稱之為”味道”。每種味道都會在冰立方這樣的探測器上留下獨特的印記。當中微子撞擊另一種粒子時，通常會產生與其味道相對應的帶電粒子。 μ介子中微子產生μ介子，電子中微子產生電子，頭中微子產生頭。

具有μ介子味道的中微子具有最明顯的特徵，因此我和冰立方合作小組的同事們自然會先尋找這些中微子。 μ介子中微子碰撞釋放出的μ介子在衰變前會穿過數百公尺的冰層，形成一條長長的可偵測光軌。透過這條軌跡，研究人員可以追蹤中微子的來源。

研究團隊接下來研究了電子中微子，其相互作用產生了一個大致球形的光球。電子中微子碰撞產生的電子永遠不會衰變，它會撞擊它靠近的冰層中的每一個粒子。在電子最終靜止之前，這種相互作用會留下一個不斷膨脹的光球。

由於電子中微子的方向很難用肉眼辨別，冰立方的物理學家應用機器學習技術來回溯電子中微子可能產生的位置。這些技術利用複雜的運算資源，調整數百萬個參數，將中微子訊號從所有已知背景中分離出來。

第三種中微子–tau中微子–是三重奏中的變色龍。一個tau中微子可以顯示為一條光軌，而下一個tau中微子則可以顯示為一個球。在碰撞中產生的頭中微子在衰變前只飛行了幾分之一秒，當它衰變時，通常會產生一個光球。

這些tau中微子會產生兩個光球，一個是它們最初撞擊到某個物體並產生tau粒子，另一個則是tau粒子本身衰變。大多數情況下，中微子只飛行了很短的距離就衰變了，這使得兩個光球重疊得非常厲害，以至於無法與一個光球區分開來。

但在能量較高的情況下，發射出的tau粒子可以飛行數十米，導致兩個光球彼此分離。掌握了這些機器學習技術的物理學家可以看穿這一點，從而大海撈針。 高能量tau中微子

利用這些計算工具，研究小組成功地從大約10年的數據中提取出7個強候選tau中微子。這些tau中微子的能量甚至比地球上最強大的粒子加速器還要高，這意味著它們一定來自天體物理源，例如黑洞。

這些數據證實了冰立方先前發現的天文物理中微子，也證實了冰立方先前發現的天文物理tau中微子的蛛絲馬跡。這些結果還表明，即使在最高能量和最遠距離上，中微子的行為方式也與它們在較低能量下的行為方式基本相同。

特別是，對天體物理tau中微子的探測證實，來自遙遠來源的高能中微子會改變味道或振盪。能量較低的中微子在較短的距離內也會以同樣的方式振盪。

黑洞，如圖中的黑洞，可以發射高能中微子。圖片來源：NASA / CXC / M. Weiss

隨著”冰立方”和其他中微子實驗收集到更多數據，科學家也更善於區分三種中微子，研究人員最終將能夠猜測來自黑洞的中微子是如何產生的。我們也想弄清楚，地球與這些遙遠的天文物理中微子加速器之間的空間是否會根據粒子的質量對粒子進行不同的處理。

與來自宇宙大爆炸的更常見的中微子相比，高能量的頭中微子及其μ介子和電子表親總是要少一些。但它們的數量足以幫助像我這樣的科學家尋找宇宙中最強大的中微子發射器，並研究兩者之間的無限空間。

作者：道格-考恩（Doug Cowen），賓州州立大學物理教授、天文學和天文物理學教授。

編譯自/ scitechdaily