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外层空间深处的中微子“工厂”:来自宇宙深处的基本粒子

2022-08-01 09:00     来源:cnBeta     宇宙射线中微子粒子物理

我们星球的大气层不断受到宇宙射线的轰击。这些由能量极高的带电粒子组成。作为参考,这比世界上最强大的粒子加速器--日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机--所达到的能量多一百万倍。这些令人难以置信的高能粒子来自外太空深处,并已旅行了数十亿光年。它们起源于哪里,是什么让它们以如此巨大的力量穿过宇宙?一个多世纪以来,这些问题一直是天体物理学的最大挑战之一。

宇宙射线的诞生地会产生中微子。这些中性粒子是非常难以探测的。它们几乎没有质量,几乎不与物质发生作用。它们在宇宙中飞驰,可以直接穿过星系、行星和人体,几乎没有任何痕迹。来自德国维尔茨堡大学的天体物理学教授Sara Buson解释说:“天体物理学中微子完全是在涉及宇宙射线加速的过程中产生。这正是使这些中微子成为独特信使的原因,为确定宇宙射线源铺平了道路。”

尽管天体物理学家已经收集了大量的数据,但多年来,高能中微子与产生它们的天体物理源的关联仍然是一个未解决的问题。Sara Buson一直认为这是一个重大挑战。正是在2017年,这位研究人员和合作者在《科学》杂志上首次将一个耀变体(TXS 0506+056)作为潜在的中微子源纳入讨论。耀变体是由超大质量黑洞驱动的活跃星系核,其发出的辐射比整个星系都要多得多。该出版物引发了一场关于耀变体和高能中微子之间是否真的存在联系的科学辩论。

在这个令人鼓舞的第一步之后,2021年6月,Buson教授的小组在欧洲研究理事会的支持下开始了一个雄心勃勃的多信使研究项目。这涉及分析来自宇宙的各种信号("信使",如中微子)。主要目标是阐明天体物理中微子的起源,并可能确定耀变体是银河系外高能中微子的第一个来源,具有高度的确定性。

该项目现在显示出它的第一次成功。在《天体物理学杂志快报》上,Sara Buson与她的小组、前博士后研究员 Raniere de Menezes和日内瓦大学的Andrea Tramacere一起报告说,可以以前所未有的确定性将耀变体与天体物理中微子联系起来。

Andrea Tramacere是相对论射流--加速物质的流出,接近光速--特别是耀变体射流中的加速过程和辐射机制的数值建模专家之一。“黑洞的吸积过程和旋转导致了相对论射流的形成,粒子在这里被加速并发出辐射,其能量可达可见光的一万亿倍!。发现这些天体与宇宙射线之间的联系可能是高能天体物理学的‘罗塞塔石碑’!”

为了得出这些结果,研究小组利用了来自南极冰立方中微子天文台的中微子数据--这是目前运行中的最敏感的中微子探测器--以及BZCat--最精确的耀变体目录之一。“有了这些数据,我们必须证明那些方向位置与中微子重合的耀变体不是偶然存在的。”为了做到这一点,UNIGE的研究人员开发了能够估计这些天体在天空中的分布看起来有多相同的软件。“在掷了几次‘骰子’之后,我们发现随机关联只能在一百万次试验中超过真实数据的一次!这有力地证明了我们的关联是真实的。这有力地证明了我们的联想是正确的。”

尽管取得了这一成功,研究小组认为,这第一批天体样本只是“冰山一角”。这项工作使他们能够收集到 “新的观测证据”,这是建立更真实的天体物理加速器模型的最重要成分。“我们现在需要做的是了解发射中微子和不发射中微子的天体之间的主要区别是什么。这将有助于我们了解环境和加速器相互‘对话’的程度。然后,我们将能够排除一些模型,提高其他模型的预测能力,最后,为宇宙射线加速的永恒难题添加更多的碎片!”

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