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追踪高能中微子的起源

科学物理追踪高能中微子的起源

首次追踪高能中微子的起源,解开了一个重要的天文谜团

了解和了解更多 能源 还是物质,对神秘的亚原子粒子的研究是非常关键的。 物理学家研究亚原子粒子—— 中微子 – 进一步了解它们起源的不同事件和过程。 我们通过研究中微子了解恒星,尤其是太阳。 关于宇宙和了解中微子如何发挥作用,对于任何对物理学和天文学感兴趣的科学家来说,还有很多东西需要了解。

什么是中微子?

中微子是一种几乎没有质量、没有电荷的气态(并且非常易挥发)粒子,它们可以穿过任何类型的物质而自身不会发生任何改变。 中微子可以通过承受极端条件和恒星、行星和星系等密集环境来实现这一目标。 中微子的一个重要特征是它们从不与周围环境中的物质相互作用,这使得它们的分析非常具有挑战性。 此外,它们以三种“味道”存在——电子、tau 和 μ 子,当它们振荡时,它们会在这些味道之间切换。 这被称为“混合”现象,这是对中微子进行实验时最奇怪的研究领域。 中微子最强大的特征是它们携带着关于它们的确切信息的独特信息。 起源. 这主要是因为中微子虽然能量很高,但它们不带电荷,因此它们不受任何功率磁场的影响。 中微子的起源尚不完全清楚。 它们中的大多数来自太阳,但有一小部分尤其是具有高能量的那些来自更深的空间区域。 这就是为什么这些难以捉摸的流浪者的确切起源仍然未知,它们被称为“幽灵粒子”的原因。

追踪高能中微子的起源

在天文学中发表的开创性双胞胎研究中 科学,研究人员首次追踪了一个幽灵般的亚原子粒子中微子的起源,该中微子在到达地球 3.7 亿年后在南极洲的冰层深处被发现1,2. 这项工作是由 300 多名科学家和 49 个机构合作完成的。 由冰立方中微子天文台在南极设置的最大冰立方探测器探测到高能中微子,深入冰层。 为了实现他们的目标,在冰上钻了 86 个孔,每个孔深 5000 英里,分布在一个由 1 多个光传感器组成的网络中,总面积达 86 立方公里。 由美国国家科学基金会管理的冰立方探测器是一个巨大的探测器,由 300 根电缆组成,这些电缆被放置在延伸到深冰的钻孔中。 探测器记录中微子与原子核相互作用时发出的特殊蓝光。 许多高能中微子被探测到,但直到在冰盖下成功探测到一个能量为 50 万亿电子伏特的中微子,它们才能被追踪。 这种能量几乎是通过大型哈顿对撞机循环的质子能量的 XNUMX 倍,后者是地球上最强大的粒子加速器。 检测完成后,一个实时系统有条不紊地收集和编译来自地球和太空实验室的整个电磁波谱数据,有关该中微子的起源。

中微子被成功追溯到一个被称为“开拓者”的发光星系。 Blazer 是一个巨大的椭圆形活动星系,有两个喷流,可发射中微子和伽马射线。 它的中心有一个独特的超大质量和快速旋转的黑洞,星系以光速向地球移动。 西装外套的其中一个喷气机具有炽热的特征,它直接指向地球,因此这个星系得名。 开拓者星系位于猎户座左侧,距离地球约 4 亿光年。 天文台以及地球和太空中的 20 台望远镜都探测到了中微子和伽马射线。 第一项研究 1 显示检测到中微子,随后的第二项研究 2 表明,开拓者星系也早在 2014 年和 2015 年就产生了这些中微子。开拓者星系绝对是高能中微子的来源,因此也是宇宙射线的来源。

天文学的突破性发现

这些中微子的发现是一项重大成功,它可以以无与伦比的方式研究和观察宇宙。 科学家表示,这一发现可能有助于他们首次追溯神秘宇宙射线的起源。 这些射线是从太阳系外以光速燃烧的原子碎片。 人们指责它们给卫星、通信系统等造成问题。与中微子相反,宇宙射线是带电粒子,因此磁场不断影响和改变它们的路径,这使得追溯它们的起源变得不可能。 长期以来,宇宙射线一直是天文学研究的主题,尽管它们于 1912 年被发现,但宇宙射线仍然是一个大谜。

将来,使用与本研究中使用的类似基础设施的更大规模的中微子观测站可以获得更快的结果,并且可以进行更多的检测来解开新的中微子来源。 这项通过记录多次观察并了解电磁波谱数据来完成的研究对于进一步了解宇宙以及支配宇宙的物理机制至关重要。 这是“多信使”天文学的主要例证,它使用至少两种不同类型的信号来检查宇宙,使其在使此类发现成为可能时更加强大和准确。 这种方法有助于发现最近的中子星碰撞和引力波。 这些信使中的每一个都为我们提供了关于宇宙和大气中强大事件的新知识。 此外,它还可以帮助更多地了解发生在数百万年前的极端事件,这些事件将这些粒子带到地球上。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

1.The IceCube Collaboration 等。 2018. 对与高能中微子 IceCube-170922A 重合的燃烧耀变体的多信使观测。 科学. 361(6398)。 https://doi.org/10.1126/science.aat1378

2.The IceCube Collaboration 等。 2018. 在 IceCube-0506A 警报之前,来自耀变体 TXS 056+170922 方向的中微子发射。 科学. 361(6398)。 https://doi.org/10.1126/science.aat2890

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