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巨大的冰块暗示宇宙抗中微子的存在

巨大的冰块暗示宇宙抗中微子的存在

物理学 粒子 英语翻译
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2021-03-11 20:40:20


  埋在南极冰层深处的探测器观察到了罕见的中微子相互作用过程,称为Glashow共振的证据,这为探测天体物理源中的中微子形成提供了一种方法。

  卡拉·迪斯泰法诺

  中微子是最难以捉摸的基本粒子,分为三种类型:电子中微子,μ子中微子和tau中微子。它们几乎无质量且缺乏电荷,它们仅通过称为弱相互作用的基本力与物质相互作用,该基本力由称为W和Z玻色子的传力粒子介导。在1959年,理论物理学家格拉肖使用粒子物理学的标准模型来预测1带负电W¯¯玻色子(w ^ -玻色子)可以在电子与电子反中微子(电子中微子的反物质形式)之间的碰撞中形成。此过程现在称为Glashow共振,发生在电子反中微子,其能量约为6.3皮法电子伏特(1 PeV为10 15  eV)。

  在实验室中尚未观察到Glashow共振,因为所需的抗中微子能量超出了目前可用的粒子促进剂的范围。但是,在宇宙过程中产生的天然抗中微子可以达到数十PeV 2的能量。在《自然》杂志的一篇论文中,IceCube协作组织报告了从天体物理学来源检测到的抗中微子产生的事件的检测,这可能是Glashow共振的首次观察3。

  当中微子与物质相互作用时,会产生带电粒子。当它们以大于该介质中光速的速度穿过透明介质(例如冰或水)时,会发出称为切伦科夫辐射的光。因此,可以通过检测这种介质中的切伦科夫辐射的仪器观察到高能天体中微子。因为在感兴趣的能级上天体中微子数量的预期通量很低,并且随着中微子能量的增加2,这些通量会迅速减少2,因此需要大量的透明介质。

  IceCube中微子观测站是一个中微子探测器,埋在南极的Amundsen–Scott南极站附近的深冰中(图1)。它的主要目的是观察从宇宙中最强大的天体物理学来源产生的中微子,例如活跃的银河核和γ射线爆发,或者是由催化现象产生的中微子,例如爆炸的恒星以及黑洞或中子星的合并。IceCube可以检测到超过exaelectronvolt范围内的能量(1 EeV为10 18 eV)。它由5160个数字光学模块(DOM;能够检测微弱光信号的设备)组成,分布在1立方公里的南极冰上,埋在1,450–2,450米的深度。DOM连接到在冰上相距125米的86个垂直弦上,并部署在六角形网格上。

  

IceCube中微子观测站,南极洲。IceCube协作组织报告了3个事件的证据.png

 

  图1 | IceCube中微子观测站,南极洲。IceCube协作组织报告了3个事件的证据,即Glashow共振,当高能电子反中微子(电子中微子的反物质对应物)与物质相互作用时发生。信用:Yuya Makino,IceCube / NSF

  DOM检测到的Cherenkov辐射用于重建触发它的中微子的性质,例如其能量以及到达的方向。辐射突发的拓扑结构也可能具有启发性。例如,当一个μ子中微子与物质相互作用时,它可以产生一个行进数公里4的μ子粒子。这会在冰上产生一条细长的发光轨迹,称为轨道。其他中微子风味剂在直径仅10米的球形区域内产生次级粒子级联5。因此,检测到的光信号的时空特征包含有关中微子味道和相互作用通道(中微子与物质相互作用的过程; Glashow共振是相互作用通道的一种类型)的信息。

  反中微子与物质通过格拉肖共振相互作用预计产生特性的事件,其中得到的w ^ -玻色子的衰变而形成二次粒子的级联,包括称为强子颗粒。在这些情况下,预计中微子能量的大约5%将被中性或没有足够能量产生Cherenkov辐射5的次级粒子吸收,从而将可观察到的能量限制在约6.0 PeV。此外,预计在级联中会产生低能的μ子,并以足够高的速率超出切伦科夫辐射的波阵面,以触发DOM将探测到的早期光脉冲。

  2016年12月8日,IceCube检测到一个事件,该事件的可见能量为6.05±0.72 PeV。IceCube协作使用机器学习算法分析了事件的参数,该算法已经过优化,可以识别具有多个PeV能量的级联。该算法已经过训练,可以将此类信号与与大气中产生的μ子相关的信号区别开来,同时考虑到跟踪事件和级联事件之间的差异。

  根据检测到的事件的特征,作者将其归类为由天体中微子引起的-此分类的置信度为5σ,这意味着在三百万中只有约一的机会错误的。此外,早期的光脉冲是由DOM的,与来自的衰变产生的低能二次μ介子的一致检测W¯¯ -玻色子成强子。数据的统计测试表明,引起该事件的中微子相互作用过程可能是Glashow共振。但是,该结果的置信度仅在2.3σ水平,与完全排除非Glasshow共振事件的可能性相比,还差一些。

  尽管如此,IceCube协作组织的观察值得庆祝,因为它们是第一个与Glashow共鸣相一致的观测。明确的检测不仅可以进一步证实粒子物理学的标准模型,而且可以证明天体通量中存在电子反中微子。由电子反中微子组成的天体通量的比例将取决于产生中微子和反中微子的机制,其中有两种可能性6:涉及质子-质子相互作用的强核过程和涉及质子-光子相互作用的光强子过程。因此,电子抗中微子的未来测量将为中微子源的物理学打开一个窗口。当前的IceCube检测器只能检测到少量的Glashow共振事件,但是去年提出了下一代设备– IceCube-Gen2 – 7。该探测器将有足够大的传感器探测到的冰量,以观察到更多的Glashow共振事件,从而能够对天体物理中微子产生机制进行统计上有意义的分析。

 

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