这种能量惊人的中微子很可能来自银河系之外,物理学家有两个主要的怀疑。



物理学家发现了一种银河系外的中微子,其能量是之前探测到的任何中微子的30倍,这可能是我们首次观测到一种罕见的粒子,这种粒子是由我们所能看到的最古老的光相互作用产生的。

埋在地中海马耳他海岸附近的一个探测器发现了中微子 —— 一种基本粒子,它以接近光速的速度运动,很少与其他物质相互作用。中微子的能量表明它来自银河系之外,物理学家认为,极端的天体物理现象或物质与宇宙微波背景(宇宙中最古老的可见光)之间罕见的相互作用可能是罪魁祸首。该团队描述中微子的研究今天发表在《自然》杂志上。

探测是在2023年2月13日进行的,也就是两年前的今天,但研究小组花了一些时间来分析这一事件,并确定粒子的身份和可能的起源。

中微子是我们宇宙中最引人注目的粒子之一,以至于各国政府都在投入数十亿美元进行实验,以探测到这种小虫子。其中一个实验是深地下中微子实验(DUNE),这是一个由费米实验室主持的项目,位于南达科他州地下约一英里处。

立方千米中微子望远镜(KM3NeT)进行了最新的探测。该望远镜由两个粒子探测器组成,分别位于地中海深处约11318英尺(3450米)和8038英尺(2450米)。在那里,固定在海底的光学模块探测到中微子相互作用并产生带电粒子时产生的极其微弱的光。

中微子探测器必须很大(注意望远镜名字中的“立方千米”,相当于0.24立方英里),而且不受干扰,这就是为什么它们被放置在遥远的地方,比如地下深处,海底,或者嵌入冰盖。

该团队在2023年2月记录了一个μ介子穿过探测器,这是一个引人注目的事件,在探测器的三分之一以上的传感器中触发了信号。根据粒子的轨迹及其能量,研究小组认为μ介子来自探测器附近的宇宙中微子,而不是大气中微子。

根据该团队的计算,μ介子的能量约为120拍电子伏特(PeV)。一个PeV是1千万亿电子伏特。尽管听起来很有能量,但产生μ介子的中微子被认为具有更高的能量:220 PeV。能量相当于一个乒乓球从离地面3.4英尺(1米)的地方落下,但被推到了一个物质点上。在220 PeV的条件下,中微子的能量大约是地球上最强大的粒子加速器欧洲核子研究中心大型强子对撞机中质子标称能量的30000倍。

“所有这些能量都包含在一个基本的点状粒子中,”Paschal Coyle在本周早些时候举行的施普林格自然新闻发布会上说,他是KM3NeT实验的发言人,也是法国国家科学研究中心(CNRS) -马赛粒子物理中心的研究员。“这让我们印象深刻。”



Paschal Coyle在记者会上解释说,要建造一个能够产生这种粒子的大型强子对撞机,你需要一个能以地球同步卫星的高度环绕地球的强子对撞机。

中微子很难被发现。根据冰立方中微子观测站的数据,每秒大约有100万亿个中微子穿过你的身体。它们是宇宙中第二丰富的粒子,仅次于光子,但尽管它们非常丰富,但它们被称为“幽灵粒子”,因为它们几乎从不与物质相互作用,这使得它们极难被探测到。去年,冰立方的数据显示,从近10年的观测数据中提取出了七种特定中微子的候选信号,这表明研究人员在发现它们时遇到了困难。最近的研究小组的结果是由一个中微子引起的,尽管观察是在探测器完成10%的时候进行的,所以研究小组乐观地认为,更多的探测将会产生更多的信息。

“这太不可思议了 —— 宇宙中有一些物体可以将粒子加速到如此极端的能量,而这是如何实现的,我们还没有完全理解。”

研究小组发现,中微子肯定来自银河系之外,但除此之外,它的确切祖先还不清楚。它最可能的来源要么是宇宙成因的 —— 即宇宙射线与宇宙微波背景中的光子相互作用产生的,要么是天体物理学的 —— 即从宇宙中最有能量的物体之一发出的粒子流中产生的。具体来说,研究小组提名了12个blazar天体,它们是活跃的星系核心,以接近光速的速度喷出亚原子粒子,它们与中微子的大致起源方向一致。

“这太不可思议了 —— 宇宙中有一些物体可以将粒子加速到如此极端的能量,而这是如何实现的,我们还没有完全理解,”Paschal Coyle补充道。

该研究的合著者Damien Dornic也在CNRS工作,他在新闻发布会上表示,该团队正在审查档案数据,并要求进行新的观测,以确定天体物理来源的特征是否表明中微子可能来自其中一个,而不是宇宙起源。

荷兰Nikhef国家亚原子物理研究所的物理学家、该研究的合著者Aart Heijboer在新闻发布会上解释说:“未来,我们可能会大幅缩小错误框,即使是在这次事件中。”“如果这些来源中的一个直接出现在当时小得多的错误框中,那就很有趣了。”

Paschal Coyle指出,这次观测只使用了最后一个探测器的10%,更多的事件可以揭示宇宙中微子的能量、光谱和起源,以及那些从活动星系核发出的中微子。

如果中微子被证实有宇宙起源,该团队的探测将是第一次。KM3NeT目前正在扩展,新的结果有望发现新的事件或澄清2023年非凡观测的性质。

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