今天出版的Science雜志刊登封面文章,，“冰立方”中微子天文臺(tái)找到耀變體發(fā)射超高能中微子的證據(jù),。

冰立方（（IceCube）是美國(guó)設(shè)在南極洲極點(diǎn)處的中微子天文臺(tái),。它由分布在1立方公里內(nèi)的86串光傳感器（光電倍增管）構(gòu)成,，每串60個(gè),，位于冰層下1450米到2450米。當(dāng)高能中微子被冰俘獲,，產(chǎn)生帶電粒子,，穿過(guò)傳感器陣列，將產(chǎn)生切倫科夫光,，從而被探測(cè)到,。

（IceCube）

2017年9月22日，冰立方探測(cè)到一個(gè)能量為290TeV的中微子,。作為對(duì)比,，目前能量最高的加速器——?dú)W洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),，只能把粒子加速到7TeV,。

冰立方的主要科學(xué)目標(biāo)是通過(guò)中微子尋找高能宇宙射線的起源。為此,，它建立了一個(gè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò),，對(duì)每個(gè)超高能中微子,，實(shí)時(shí)重建出其方向，發(fā)布給其它望遠(yuǎn)鏡,，以便通過(guò)射電,、光學(xué)、伽瑪?shù)炔ǘ斡^測(cè)對(duì)應(yīng)的天體活動(dòng),。觀測(cè)到這個(gè)中微子后43秒,，自動(dòng)預(yù)警信息發(fā)出。4小時(shí)后伽瑪射線協(xié)作網(wǎng)發(fā)出通知,。

290 TeV的中微子（Science 361,，146（2018））

剛開(kāi)始，幾個(gè)天文臺(tái)并沒(méi)有看到任何反常信號(hào),。6天后,，費(fèi)米衛(wèi)星首先報(bào)告，在冰立方給的方向僅相差0.1度的地方,，有個(gè)一個(gè)月前就開(kāi)始閃耀的耀變體,，開(kāi)始變得特別明亮。很快,，十幾臺(tái)射電,、光學(xué)、伽瑪望遠(yuǎn)望也觀察到了顯著信號(hào),，比如大西洋上的MAGIC大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡,。

高能宇宙線起源之謎

耀變體（Blazar）是活動(dòng)星系核的一種，是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質(zhì)而產(chǎn)生劇烈天文現(xiàn)象,。黑洞將吸積物質(zhì)的引力能,，或者黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的相對(duì)論噴流,。如果噴流指向我們的視線,，就構(gòu)成耀變體。

高能宇宙線的起源是百年之謎,，我們既不知道它們從哪兒來(lái),，也不知道其加速機(jī)制。人們猜測(cè)它的來(lái)源可能包括中子星,、伽瑪射線暴,、極端超新星、活動(dòng)星系核等,。

在耀變體噴流中,，帶電粒子可以加速到極高能量。由于帶電粒子受宇宙中磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)它們到達(dá)地球時(shí),，我們并不知道它們來(lái)自何處,。也許它們已在銀河系中旋轉(zhuǎn)了幾十圈，才飄飄蕩蕩地抵達(dá)地球,。被噴流加速的質(zhì)子或者核,，與物質(zhì)相互作用時(shí)能產(chǎn)生高能介子，最終衰變成光子和中微子,，而中微子是不受磁場(chǎng)干擾的,，能夠直指源頭?？吹?90TeV的中微子,，意味著耀變體噴流可以產(chǎn)生至少幾萬(wàn)TeV的質(zhì)子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地,。

耀變體（Courtesy： A Marscher,， PhysicsWorld）

謎底解開(kāi)了嗎？

實(shí)際上2016年冰立方就報(bào)道了活動(dòng)星系核與高能中微子的關(guān)聯(lián),，相關(guān)性為95%,，從嚴(yán)格的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看并不夠高，因此存在爭(zhēng)議,。

在發(fā)現(xiàn)這個(gè)中微子后,，冰立方重新檢查了以前的數(shù)據(jù)，在這個(gè)方向上又找到一些中微子,，使相關(guān)性達(dá)到了99.9%,，約為3.5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。不過(guò)離科學(xué)發(fā)現(xiàn)的5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)還差一點(diǎn),。

冰立方計(jì)劃近期開(kāi)始升級(jí),，將體積增大10倍。即便現(xiàn)在的結(jié)果不足以讓人信服,，未來(lái)也肯定能毫無(wú)爭(zhēng)議地確定答案,。

有意思的是，冰立方也可以在其中心一小塊區(qū)域加大光傳感器的密度,，更準(zhǔn)確地探測(cè)大氣中微子,，從而確定中微子的質(zhì)量順序（這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為PINGU），而這是建設(shè)中的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的主要科學(xué)目標(biāo)之一,。假如PINGU實(shí)驗(yàn)得到高優(yōu)先權(quán)的話,，將是江門(mén)實(shí)驗(yàn)最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。不過(guò)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)曠日持久的討論,，將優(yōu)先權(quán)放在了擴(kuò)大冰立方陣列上,。畢竟,，質(zhì)量順序有多個(gè)實(shí)驗(yàn)可以做，而冰立方只有一個(gè),。

歪打正著的理論家

冰立方與引力波天文臺(tái)LIGO是美國(guó)科學(xué)基金委支持的兩大項(xiàng)目,。跟LIGO幾個(gè)不著調(diào)的倡議者一樣,，冰立方天文臺(tái)的創(chuàng)建者弗朗西斯·赫爾任（Francis Halzen）也是理論家。他曾說(shuō),，假如他有點(diǎn)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的話,，就不會(huì)提出做冰立方實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗恢酪话惚袝?huì)有大量氣泡,，光子散射非常嚴(yán)重,，導(dǎo)致無(wú)法重建出中微子的方向?？墒菍?shí)驗(yàn)建成后,，出人意料地發(fā)現(xiàn)南極地底的冰跟別處不一樣，上萬(wàn)年的壓力將冰壓得非常密實(shí),，光散射問(wèn)題比預(yù)想要好得多,。

赫爾任顯然是未來(lái)諾貝爾獎(jiǎng)的有力候選者，希望他能長(zhǎng)壽,。

附：高能中微子：窺見(jiàn)遠(yuǎn)古宇宙（弗朗西斯·赫爾任著,，曹俊譯）

http://xw.xinhuanet.com/news/detail/221349/

附2016年新聞：

超高能中微子的銀河系外之“家”獲證實(shí)

或?qū)㈤_(kāi)啟中微子天體物理學(xué)新時(shí)代

科技日?qǐng)?bào)北京4月20日電（記者劉霞）德國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志報(bào)告稱，位于南極冰層下的中微子探測(cè)器“冰立方（IceCube）”曾在2012年發(fā)現(xiàn)了超高能中微子,，現(xiàn)在,，他們首次為其找到了一個(gè)位于銀河系外的源頭，這一重大發(fā)現(xiàn)有可能開(kāi)啟中微子天體物理學(xué)的新時(shí)代,。

中科院高能物理研究所曹俊研究員對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者解釋稱,，在宇宙大爆炸時(shí)期，中微子是產(chǎn)生得最多的粒子之一,，現(xiàn)今仍大量產(chǎn)生于恒星內(nèi)部的核反應(yīng),，以及宇宙射線撞擊地球大氣層的過(guò)程。

中微子的質(zhì)量非常小,，不帶電,，很少與其他物質(zhì)相互作用，很難被探測(cè)到,。不過(guò),，在極少情況下，中微子會(huì)撞到原子,，產(chǎn)生能發(fā)出一種藍(lán)色閃光的帶電粒子,，像電子或繆子,，這種藍(lán)色閃光能被“冰立方”探測(cè)到。

2012年,，“冰立方”發(fā)現(xiàn)了有史以來(lái)能量最高的中微子,，其能量高達(dá)2000萬(wàn)億電子伏特，這比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的高能質(zhì)子還要高300倍,，如此高能量的中微子應(yīng)來(lái)自極高能量的宇宙線粒子的碰撞過(guò)程,。在過(guò)去幾年中，科學(xué)家一直在搜尋可能產(chǎn)生它們的奇異天體活動(dòng),。

最近,，科學(xué)家們對(duì)來(lái)自距離地球90億光年之外的“PKSB1424-418”活動(dòng)星系產(chǎn)生的射電和伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,，中微子和活動(dòng)星系爆發(fā)在時(shí)間和方向上一致,，由此，推斷出中微子可能來(lái)自此銀河系外活動(dòng)星系的爆發(fā),，使其成為首個(gè)擁有銀河系之外源頭的超高能中微子事件,。

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院王祥玉教授接受采訪時(shí)表示：“盡管目前科學(xué)家們還不能排除巧合，無(wú)法100%確信這一中微子來(lái)自此活動(dòng)星系,，但高達(dá)95%的相關(guān)性是迄今最高的,。最新研究表明，可能有一部分中微子來(lái)自銀河系外的活動(dòng)星系,，有助于科學(xué)家們進(jìn)一步厘清高能中微子的來(lái)源,。”