冰立方合作证实了宇宙中微子观测

冰立方合作公司加强了宇宙中微子观测

这张照片插图显示了这项研究中最高能量的中微子事件之一,叠加在南极的ICecube实验室(ICL)的视图上。中微子预示着新形式的天文学的证据。

使用来自ICecube Neutrino天文台的数据,科学家已经证实了来自我们的星系的天体物理中微子的存在以及从外部的来源的宇宙中微子银河系

使用冰立方中微子观测站的研究人员已经对每年通过冰立方千米大小的探测器快速移动的数十亿亚原子粒子进行了分类,以收集有力的新证据,支持2013年的观测结果,证实宇宙中微子的存在。

这个证据很重要,因为它预示了一种利用中微子的天文学新形式,中微子是在自然加速器中产生的几乎无质量的高能粒子:黑洞、大质量爆炸的恒星和星系的高能核心。在这项新的研究中,对21个超高能介子的检测——在中微子与其他粒子相互作用的罕见情况下产生的次级粒子——提供了来自我们银河系的天体物理中微子以及来自银河系外的宇宙中微子的独立证实。

报告了观察结果发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文“冰立方合作”将这些数据称为天体物理中微子的“明确信号”,中微子是一种超高能粒子,它不受恒星、行星、星系、磁场或星际尘埃云的阻碍穿越太空——这种现象在能量非常高的情况下,会显著削弱像光子这样的普通粒子。


2010年11月13日,深埋在南极冰下的冰立方探测器在高能中微子穿过探测器时亮了起来。信贷:冰立方协作

因为它们几乎没有质量,也没有电荷,中微子很难被探测到,只有当它们与其他粒子碰撞产生介子时才会被间接观察到,介子是二级粒子。更重要的是,在不同的天体物理过程中产生了不同种类的中微子。冰立方协作,一个大的国际财团总部威斯康星大学麦迪逊分校的巨大的挑战已经筛选大量的观测来确定也许几十的高能中微子从银河系,银河系以外来源。

科学家们相信,这些高能中微子是在宇宙深处一些最剧烈的现象中产生的。在这些事件中产生的粒子,包括中微子和宇宙射线,被加速到能量水平,超过了地球上的加速器(如大型强子对撞机(LHC))的100多万倍。天体物理学家之所以珍视它们,是因为它们所保存的信息是原始的,在粒子从源头到地球穿行数百万光年的过程中,它们并未发生任何变化。研究最高能量中微子的能力使人们有机会了解物理学中的许多问题,包括自然界如何在宇宙中建立强大而高效的粒子加速器。

最新的观测结果是由位于南极的冰立方天文台(由数千个光学传感器组成,深埋在南极冰层下)通过地球观测北半球的天空。地球就像一个过滤器,帮助清除宇宙射线撞击地球大气层时产生的令人困惑的介子背景。

威斯康辛大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方的首席研究员弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)解释说:“寻找穿过地球到达探测器的介子中微子是冰立方研究中微子天文学的初衷,现在它已经实现了。”“这是用一种独特的仪器所能得到的最接近独立的确认。”

在2010年5月至2012年5月期间,冰立方记录了超过3.5万个中微子。然而,在这些中微子事件中,只有大约20次被记录在表明来自天体物理或宇宙源的能量水平上。

结果是有意义的,因为,使用不同的技术,他们重申了ICecube天文台的样本鬼魂般的中微子的能力。通过仪表一间立方公里的深南极冰,科学家能够使探测器足够大以捕获罕见的中微子碰撞的签名。当发生罕见的粉碎时,它会产生一个μ子,又留下了忠实地反映了中微子的轨迹的Cherenkov光线。当Neutrinos Smash进入另一个颗粒时产生的“光学声音臂”由构成冰箱探测器阵列的光学传感器感测,并且理论上可以用于将返回到源。

“这是对冰立方最近发现的极好的确认,打开了粒子物理学新时代的大门,”美国国家科学基金会(NSF)极地项目天体物理学和地球空间科学项目主任弗拉基米尔·帕皮塔什维利(Vladimir Papitashvili)说。“这一切之所以成为可能,是因为南极冰层的非凡品质,以及美国国家科学基金会(NSF)在地球上最不适宜居住的地方成功解决巨大的科学和后勤问题的能力。”

但是,虽然新的观测结果证实了天体物理中微子的存在以及冰立方天文台探测它们的方法,但高能中微子的实际点源仍有待确定。

阿尔布雷希特卡乐,威斯康辛大学麦迪逊分校的物理学教授和物理评论快报的资深作者报告,指出,尽管冰立方的neutrino-induced跟踪记录探测器有一个好的指向决议,不到一定程度,冰立方团队并没有观察到大量的中微子来自任何单一来源。

然而,在最近的搜索中观测到的中微子,其能量水平与天文台在南半球的天空取样时所看到的相同。卡勒说,这表明许多能量最高的中微子的潜在来源都是在银河系之外产生的。他指出,如果在我们自己的星系中存在大量的中微子源,那么冰立方探测器在观察我们星系的平面时就会亮起来——这是最有可能发现产生中微子源的区域。

“星系的平面是恒星所在的地方。它是宇宙射线加速的地方,所以你会期望在那里看到更多的源。但我们观测到的最高能量的中微子来自随机方向,”卡勒说,他以前的研究生,克里斯韦弗,是这项新研究的通讯作者。“这有力地证实了银河系外宇宙中微子的发现是真实的。”

iceCube基于威斯康星州iceCube粒子天体物理学中心(WIPAC),在UW-Madison。该天文台建立了国家科学基金会的主要支持,以及全球合作伙伴资助机构的支持。来自美国,德国,瑞典,比利时,瑞士,日本,加拿大,新西兰,澳大利亚,英国,韩国和丹麦的300多家物理学家和工程师都参与了该项目。

出版:M. G. Aartsen,等,等,“来自北部天空的天体物理Muon Neutrinos的证据,冰箱”。rev. lett。115,081102,2015;DOI:10.1103 / physrevlett.115.081102

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