重大發現 黑洞加速出宇宙中能量最高的粒子

今天出版的Science雜誌刊登封面文章，「冰立方」中微子天文台找到耀變體發射超高能中微子的證據。冰立方（（IceCube）是美國設在南極洲極點處的中微子天文台。它由分布在1立方公里內的86串光感測器（光電倍增管）構成，每串60個，位於冰層下1450米到2450米。

當高能中微子被冰俘獲，產生帶電粒子，穿過感測器陣列，將產生切倫科夫光，從而被探測到。

(IceCube)

2017年9月22日，冰立方探測到一個能量為290 TeV的中微子。作為對比，目前能量最高的加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機，只能把粒子加速到7 TeV。

冰立方的主要科學目標是通過中微子尋找高能宇宙射線的起源。為此，它建立了一個預警網路，對每個超高能中微子，實時重建出其方向，發布給其它望遠鏡，以便通過射電、光學、伽瑪等波段觀測對應的天體活動。觀測到這個中微子後43秒，自動預警信息發出。4小時後伽瑪射線協作網發出通知。

290 TeV的中微子（Science 361,146(2018)）

剛開始，幾個天文台並沒有看到任何反常信號。6天後，費米衛星首先報告，在冰立方給的方向僅相差0.1度的地方，有個一個月前就開始閃耀的耀變體，開始變得特別明亮。很快，十幾台射電、光學、伽瑪望遠望也觀察到了顯著信號，比如大西洋上的MAGIC大氣切倫科夫望遠鏡。

高能宇宙線起源之謎

耀變體（Blazar）是活動星系核的一種，是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質而產生劇烈天文現象。黑洞將吸積物質的引力能，或者黑洞的轉動能量，轉化為強大的相對論噴流。如果噴流指向我們的視線，就構成耀變體。

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，也不知道其加速機制。人們猜測它的來源可能包括中子星、伽瑪射線暴、極端超新星、活動星系核等。

在耀變體噴流中，帶電粒子可以加速到極高能量。由於帶電粒子受宇宙中磁場的偏轉，當它們到達地球時，我們並不知道它們來自何處。也許它們已在銀河系中旋轉了幾十圈，才飄飄蕩蕩地抵達地球。被噴流加速的質子或者核，與物質相互作用時能產生高能介子，最終衰變成光子和中微子，而中微子是不受磁場干擾的，能夠直指源頭。看到290 TeV的中微子，意味著耀變體噴流可以產生至少幾萬TeV的質子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。

謎底解開了嗎？

實際上2016年冰立方就報道了活動星系核與高能中微子的關聯，相關性為95%，從嚴格的科學標準來看並不夠高，因此存在爭議。

在發現這個中微子後，冰立方重新檢查了以前的數據，在這個方向上又找到一些中微子，使相關性達到了99.9%，約為3.5倍標準偏差。不過離科學發現的5倍標準偏差標準還差一點。

冰立方計劃近期開始升級，將體積增大10倍。即便現在的結果不足以讓人信服，未來也肯定能毫無爭議地確定答案。

有意思的是，冰立方也可以在其中心一小塊區域加大光感測器的密度，更準確地探測大氣中微子，從而確定中微子的質量順序（這個實驗稱為PINGU），而這是建設中的江門中微子實驗的主要科學目標之一。假如PINGU實驗得到高優先權的話，將是江門實驗最有力的競爭對手。不過項目團隊經過曠日持久的討論，將優先權放在了擴大冰立方陣列上。畢竟，質量順序有多個實驗可以做，而冰立方只有一個。

歪打正著的理論家

冰立方與引力波天文台LIGO是美國科學基金委支持的兩大項目。跟LIGO幾個不著調的倡議者一樣，冰立方天文台的創建者弗朗西斯·赫爾任（Francis Halzen）也是理論家。他曾說，假如他有點實驗經驗的話，就不會提出做冰立方實驗，因為他不知道一般冰中會有大量氣泡，光子散射非常嚴重，導致無法重建出中微子的方向。可是實驗建成後，出人意料地發現南極地底的冰跟別處不一樣，上萬年的壓力將冰壓得非常密實，光散射問題比預想要好得多。

赫爾任顯然是未來諾貝爾獎的有力候選者，希望他能長壽。

附：高能中微子：窺見遠古宇宙（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

或將開啟中微子天體物理學新時代

科技日報北京4月20日電 （記者劉霞）德國科學家領導的國際科研團隊在最新一期《自然·物理學》雜誌報告稱，位於南極冰層下的中微子探測器「冰立方（IceCube）」曾在2012年發現了超高能中微子，現在，他們首次為其找到了一個位於銀河系外的源頭，這一重大發現有可能開啟中微子天體物理學的新時代。

中科院高能物理研究所曹俊研究員對科技日報記者解釋稱，在宇宙大爆炸時期，中微子是產生得最多的粒子之一，現今仍大量產生於恆星內部的核反應，以及宇宙射線撞擊地球大氣層的過程。

中微子的質量非常小，不帶電，很少與其他物質相互作用，很難被探測到。不過，在極少情況下，中微子會撞到原子，產生能發出一種藍色閃光的帶電粒子，像電子或繆子，這種藍色閃光能被「冰立方」探測到。

2012年，「冰立方」發現了有史以來能量最高的中微子，其能量高達2000萬億電子伏特，這比大型強子對撞機產生的高能質子還要高300倍，如此高能量的中微子應來自極高能量的宇宙線粒子的碰撞過程。在過去幾年中，科學家一直在搜尋可能產生它們的奇異天體活動。

最近，科學家們對來自距離地球90億光年之外的「PKS B1424-418」活動星系產生的射電和伽馬射線數據進行了分析。結果表明，中微子和活動星系爆發在時間和方向上一致，由此，推斷出中微子可能來自此銀河系外活動星系的爆發，使其成為首個擁有銀河系之外源頭的超高能中微子事件。

南京大學天文與空間科學學院王祥玉教授接受採訪時表示：「儘管目前科學家們還不能排除巧合，無法100%確信這一中微子來自此活動星系，但高達95%的相關性是迄今最高的。最新研究表明，可能有一部分中微子來自銀河系外的活動星系，有助於科學家們進一步釐清高能中微子的來源。」

稿源：中科院高能所

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