科學家首次觀測到源自銀河系中心盤的中微子。
中微子是微小的、極其奇異的粒子，可以幾乎無阻礙地穿過物質。由於它們缺乏相互作用，因此很難探測到，但也很有希望揭示宇宙的新秘密。特別是，銀河系中微子可能有助於科學家理解高能粒子——宇宙射線的起源，宇宙射線啟動了中微子的形成。德雷塞爾大學的物理學家倉橋尚子·尼爾森說，由於中微子是電磁頻譜之外的粒子，它們就像一個新的、獨立於光線的透鏡，透過它可以研究星系的結構。她提出了這種新方法，使研究人員能夠做出這項發現。
倉橋·尼爾森說：“現在我們第一次在光以外的東西中看到了我們的星系。”該團隊今天在《科學》雜誌上報告了他們的發現。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
當構成大多數宇宙射線的高能輻射與物質相互作用時，會形成中微子，產生稱為π介子的帶電粒子，π介子在衰變時產生中微子。人們認為，這個過程不斷地在物質密集、宇宙射線沐浴的銀河系盤中產生中微子。像所有中微子一樣，那些被認為來自銀河系盤的中微子是如此的虛無縹緲，以至於像幽靈一樣：它們具有中性電荷，質量非常小，以至於科學家們仍然不知道這些粒子的確切重量，並且它們幾乎不與物質或電磁場相互作用，即使它們以接近光速的速度在宇宙中長距離傳播。這種缺乏相互作用使得研究中微子成為研究孕育它們的宇宙射線的有希望的方式。事實上，許多宇宙射線是非常高能量的光子——伽馬射線——當它們穿過太空時，可能會被星際或星系際物質吸收。相比之下，中微子就像它們自身形成的時間膠囊，幾乎沒有留下它們隨後旅行的印記，但有望留下一些揮之不去的證據，以啟發科學家們尋找宇宙射線最深的天體物理起源——這仍然是未知的。
這就是冰立方實驗的用武之地。在過去的10年中，一個鑽入南極冰層的小型光感測器陣列一直在探測穿過我們地球的中微子。冰立方實際上是由這些感測器組成的一個立方體，每邊長一公里，沉入冰層中1.5至2.5公里深處。在這個半透明的介質中，當一個極其罕見的中微子撞擊冰層併產生次級粒子簇射時，感測器會捕捉到被稱為切倫科夫輻射的微弱閃光。英國謝菲爾德大學的物理學家安東尼·埃澤裡貝說，物理學家也可以在地球上的粒子加速器中製造中微子，以用於他們的研究，他沒有參與這項新的論文。然而，一些來自太空的中微子的能量水平高於任何來自實驗室的中微子，這使得研究它們的物理特性非常重要。
冰立方已經明確探測到從中銀河系外湧入的中微子，但不能肯定地說其中任何一個來自銀河系內部，該專案的首席研究員、威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家弗朗西斯·哈爾岑說。考慮到銀河系盤的近距離（事實上，我們的太陽系就嵌入其中）以及中微子很可能在那裡形成，這相當奇怪。
然而，問題出在位置上。大多數穿過冰立方體射來的中微子都是本土粒子，它們是在宇宙射線撞擊地球大氣層時形成的。現在是馬里蘭大學博士後研究員的斯蒂芬·斯克拉法尼說，當他在德雷塞爾大學攻讀博士學位時，他參與了冰立方合作專案。大氣中微子每秒觸發探測器數千次。相比之下，有趣的宇宙物理中微子大約每天只出現一次。
冰立方位於南半球，當地球的大部分來自北半球天空時，實際上會過濾掉許多這種大氣噪聲。但是銀河系盤也主要位於南半球的天空中，形成了一個非常嘈雜的環境——相當於試圖從一個足球場的人群的吶喊聲中挑選出單個聲音。倉橋·尼爾森、斯克拉法尼和他們的團隊的關鍵進展是找到一種方法，使用現在影像識別軟體中常見的機器學習來過濾掉所有這些噪聲。
在分析了十年的冰立方資料後，他們首先擱置了某些稱為徑跡的訊號，這些徑跡是源自探測器外部的長條紋。倉橋·尼爾森說，徑跡很有用，因為它們具有清晰的方向和起點，但其中很多是由大氣中微子產生的。為了捕捉更多在太空中形成的中微子，她和她的團隊專注於另一種稱為簇射的訊號，它看起來像一團光斑。倉橋·尼爾森說，簇射更難找到起點，但它們是更有可能重要的訊號。“實際上，使用簇射而不是徑跡，我們可以更好地看到南方的天空，”她補充道。
斯克拉法尼開發了一個深度神經網路，並對其進行訓練，以識別探測器深處產生的簇射事件——那些最有可能成為天體物理中微子而不是大氣中微子的事件。透過讓神經網路識別這些複雜的特徵模式，研究人員能夠從資料集中收集到比以前的方法多30倍的有希望的事件。斯克拉法尼說，用老式方法觀察到如此多的事件，估計需要75年。
德國卡爾斯魯厄理工學院的物理學家卡特琳·瓦萊裡烏斯說：“這有點像戴上了一副眼鏡，”她沒有參與這項新的研究。“使用機器學習，一切似乎都清晰得多。”
然後，研究人員能夠將中微子資訊與銀河系中高能伽馬射線的資料進行比較，以瞭解它們具有相同的起源，這表明這些中微子是起源於銀河系中心盤及其周圍的宇宙射線的後果。
瓦萊裡烏斯說：“能夠說出這件事終於發生了，這就像是一次量子飛躍。” “幾年前，人們無法想象這會完成。”
展望未來，研究人員或許能夠分解中微子資料，以解答長期存在的問題，即宇宙射線的根本起源。它們可能來自超新星遺蹟、活動星系核或其他完全不同的東西——或者，也許最有可能的是，所有這些來源的混合。義大利薩萊諾大學的天體粒子物理學家路易吉·安東尼奧·富斯科說，到目前為止，不可能分辨出任何給定的中微子是在宇宙射線的源頭形成的，還是在宇宙射線穿過太空的旅程中形成的。他說，未來的研究或許能夠區分這兩種情況。“這種發射就像銀河平面上的一層霧霾，”富斯科說。“但在那層霧霾中，我們應該真正看到各個點源、各個發射器，這將再次是開創性的。”
中微子也可以被利用來深入研究暗物質，暗物質是一種神秘物質，在電磁頻譜上是不可見的，但似乎在引力上支配著星系和其他大型宇宙結構。瓦萊裡烏斯說，中微子有可能在暗物質粒子之間的碰撞過程中形成。探測到異常的中微子訊號可能導致間接探測到暗物質。
倉橋·尼爾森說：“每次你用新的方式觀察[某事物]時，你都會挑選出不同的東西，並且你能夠構建更完整的畫面來了解它是什麼。這是一種非常強大且全新的觀察方式。”