重大发现 黑洞加速出宇宙中能量最高的粒子

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  • 中科院高能所
  • 2018-07-13 12:46

今天出版的Science杂志刊登封面文章,“冰立方”中微子天文台找到耀变体发射超高能中微子的证据。冰立方((IceCube)是美国设在南极洲极点处的中微子天文台。它由分布在1立方公里内的86串光传感器(光电倍增管)构成,每串60个,位于冰层下1450米到2450米。

当高能中微子被冰俘获,产生带电粒子,穿过传感器阵列,将产生切伦科夫光,从而被探测到。

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(IceCube)

2017年9月22日,冰立方探测到一个能量为290 TeV的中微子。作为对比,目前能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机,只能把粒子加速到7 TeV。

冰立方的主要科学目标是通过中微子寻找高能宇宙射线的起源。为此,它建立了一个预警网络,对每个超高能中微子,实时重建出其方向,发布给其它望远镜,以便通过射电、光学、伽玛等波段观测对应的天体活动。观测到这个中微子后43秒,自动预警信息发出。4小时后伽玛射线协作网发出通知。

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290 TeV的中微子(Science 361,146(2018))

刚开始,几个天文台并没有看到任何反常信号。6天后,费米卫星首先报告,在冰立方给的方向仅相差0.1度的地方,有个一个月前就开始闪耀的耀变体,开始变得特别明亮。很快,十几台射电、光学、伽玛望远望也观察到了显著信号,比如大西洋上的MAGIC大气切伦科夫望远镜。

高能宇宙线起源之谜

耀变体(Blazar)是活动星系核的一种,是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生剧烈天文现象。黑洞将吸积物质的引力能,或者黑洞的转动能量,转化为强大的相对论喷流。如果喷流指向我们的视线,就构成耀变体。

高能宇宙线的起源是百年之谜,我们既不知道它们从哪儿来,也不知道其加速机制。人们猜测它的来源可能包括中子星、伽玛射线暴、极端超新星、活动星系核等。

在耀变体喷流中,带电粒子可以加速到极高能量。由于带电粒子受宇宙中磁场的偏转,当它们到达地球时,我们并不知道它们来自何处。也许它们已在银河系中旋转了几十圈,才飘飘荡荡地抵达地球。被喷流加速的质子或者核,与物质相互作用时能产生高能介子,最终衰变成光子和中微子,而中微子是不受磁场干扰的,能够直指源头。看到290 TeV的中微子,意味着耀变体喷流可以产生至少几万TeV的质子和核,很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。

谜底解开了吗?

实际上2016年冰立方就报道了活动星系核与高能中微子的关联,相关性为95%,从严格的科学标准来看并不够高,因此存在争议。

在发现这个中微子后,冰立方重新检查了以前的数据,在这个方向上又找到一些中微子,使相关性达到了99.9%,约为3.5倍标准偏差。不过离科学发现的5倍标准偏差标准还差一点。

冰立方计划近期开始升级,将体积增大10倍。即便现在的结果不足以让人信服,未来也肯定能毫无争议地确定答案。

有意思的是,冰立方也可以在其中心一小块区域加大光传感器的密度,更准确地探测大气中微子,从而确定中微子的质量顺序(这个实验称为PINGU),而这是建设中的江门中微子实验的主要科学目标之一。假如PINGU实验得到高优先权的话,将是江门实验最有力的竞争对手。不过项目团队经过旷日持久的讨论,将优先权放在了扩大冰立方阵列上。毕竟,质量顺序有多个实验可以做,而冰立方只有一个。

歪打正着的理论家

冰立方与引力波天文台LIGO是美国科学基金委支持的两大项目。跟LIGO几个不着调的倡议者一样,冰立方天文台的创建者弗朗西斯·赫尔任(Francis Halzen)也是理论家。他曾说,假如他有点实验经验的话,就不会提出做冰立方实验,因为他不知道一般冰中会有大量气泡,光子散射非常严重,导致无法重建出中微子的方向。可是实验建成后,出人意料地发现南极地底的冰跟别处不一样,上万年的压力将冰压得非常密实,光散射问题比预想要好得多。

赫尔任显然是未来诺贝尔奖的有力候选者,希望他能长寿。

附:高能中微子:窥见远古宇宙(弗朗西斯·赫尔任著,曹俊译)

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

附2016年新闻:

超高能中微子的银河系外之“家”获证实

或将开启中微子天体物理学新时代

科技日报北京4月20日电 (记者刘霞)德国科学家领导的国际科研团队在最新一期《自然·物理学》杂志报告称,位于南极冰层下的中微子探测器“冰立方(IceCube)”曾在2012年发现了超高能中微子,现在,他们首次为其找到了一个位于银河系外的源头,这一重大发现有可能开启中微子天体物理学的新时代。

中科院高能物理研究所曹俊研究员对科技日报记者解释称,在宇宙大爆炸时期,中微子是产生得最多的粒子之一,现今仍大量产生于恒星内部的核反应,以及宇宙射线撞击地球大气层的过程。

中微子的质量非常小,不带电,很少与其他物质相互作用,很难被探测到。不过,在极少情况下,中微子会撞到原子,产生能发出一种蓝色闪光的带电粒子,像电子或缪子,这种蓝色闪光能被“冰立方”探测到。

2012年,“冰立方”发现了有史以来能量最高的中微子,其能量高达2000万亿电子伏特,这比大型强子对撞机产生的高能质子还要高300倍,如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。在过去几年中,科学家一直在搜寻可能产生它们的奇异天体活动。

最近,科学家们对来自距离地球90亿光年之外的“PKS B1424-418”活动星系产生的射电和伽马射线数据进行了分析。结果表明,中微子和活动星系爆发在时间和方向上一致,由此,推断出中微子可能来自此银河系外活动星系的爆发,使其成为首个拥有银河系之外源头的超高能中微子事件。

南京大学天文与空间科学学院王祥玉教授接受采访时表示:“尽管目前科学家们还不能排除巧合,无法100%确信这一中微子来自此活动星系,但高达95%的相关性是迄今最高的。最新研究表明,可能有一部分中微子来自银河系外的活动星系,有助于科学家们进一步厘清高能中微子的来源。”


来源:中科院高能所作者:编辑:leilei

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