银河系幽灵般的中微子终于被发现

中微子遍布宇宙，但你用眼睛是看不到的。这些亚原子粒子非常小——小到物理学家曾经认为它们根本没有质量——而且它们不带电荷。尽管每秒有数万亿个中微子进入你的身体，但绝大多数都会无影无踪。

然而，天文学家渴望一睹中微子。这是因为中微子是宇宙射线的产物，宇宙射线是一种神秘的高能粒子，不断从四面八方流经整个宇宙。天文学家不确定宇宙射线来自何处，它们在飞行中的行为方式，或者——在许多情况下——它们是由什么构成的。

中微子可以帮助研究人员找到答案，但他们必须先看到这些粒子。到目前为止，天文学家只证实他们发现了来自银河系外的中微子。但在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中，一个全球天文学家团队宣布了一个长期追求的目标：第一个来自银河系平面的中微子。

“这是一个非常重要的发现，”意大利萨勒诺大学天文学家 Luigi Antonio Fusco 说，他并不是该论文的作者。

发现这些“幽灵”是一项棘手的任务。中微子观测站看起来一点也不像望远镜或无线电天线。相反，这篇论文的作者研究的是南极冰层中钻出的一排洞：IceCube 中微子观测站。在这些洞的下方，在冰冷的黑暗深处，IceCube 的探测器会观察中微子与物质碰撞时产生的粒子的光迹。

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在水或冰中，光的传播速度仅为其极限的四分之三。粒子在这些物质中的传播速度可以比这更快（但不会比真空中的光速快）。如果粒子能穿过这些物质，它们就会发射出明亮的光锥，称为切伦科夫辐射，相当于音爆。一些中微子观测站，如地中海底部的 ANTARES，在水中寻找切伦科夫辐射。IceCube 使用的是冰。

即使在科学家列出了如何找到这些中微子的方法后，他们仍面临另一个问题：噪音。中微子探测器不断探测宇宙射线冲入高层大气的结果，将亚原子粒子泵入地球。那么，你如何在那堆高能大海捞针中找到宇宙中微子的针头呢？

答案是检查方向。来自远处的中微子能量更高，更容易穿过我们的星球。如果你的探测器发现一个似乎来自地面的中微子，那么它很有可能来自太空，在撞击你的探测器之前穿过了地球。

2013 年，IceCube 探测到了第一批宇宙中微子。此后几年，他们已经能够将中微子源缩小到单个星系。威斯康星大学物理学家、IceCube 合作项目成员 Francis Halzen 表示：“我们已经探测河外中微子 10 年了。”

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但有一个重要来源却被遗漏了：来自我们银河系的中微子。天文学家认为，银河系平面应该有大量中微子。IceCube 科学家之前曾试图寻找这些中微子，但他们从未能够自信地确定它们的来源。

德国多特蒙德工业大学科学家、IceCube 合作项目成员 Mirco Hünnefeld 表示：“这次分析的变化在于，我们确实改进了所使用的方法。”

IceCube 团队改进了他们的人工智能工具。如今的神经网络可以比以往更加敏锐地从噪音中找出中微子。天文学家分析了 2011 年至 2021 年间收集的 59,000 多个 IceCube 探测结果，并将它们与中微子源的预测模型进行了比较。

因此，他们相信，他们的发现可以通过从银河系平面、特别是银河系中心流出的中微子来解释。

现在，天文学家希望缩小天空中这些中微子的实际来源范围。更灵敏的中微子探测器可以帮助完成这项任务。IceCube 将在本世纪晚些时候升级，新一代中微子观测站（如地中海的 KM3NeT 和俄罗斯贝加尔湖下的 GVD）将扩大天文学家的中微子观测工具箱。

“IceCube 信号有点像弥漫的雾霾，”Fusco 说道。“我认为，有了下一代技术，我们真的可以努力找出这个信号的来源。”如果天文学家能够做到这一点，他们就能更多地了解产生宇宙射线的来源，这些来源可能是超新星。

“只有宇宙射线才能产生中微子，所以如果你看到中微子，你就看到了宇宙射线源，”哈尔森说。“中微子物理学的目标，也就是首要目标，是解决 100 年前的宇宙射线问题。”

Hünnefeld 说道：“这将帮助我们解开许多以前无法解决的谜团。”