在南极冰下探测宇宙射线起源

290TeV的中微子。资料图片

学术期刊《科学》杂志以封面文章形式刊登了“冰立方”中微子天文台的新发现。资料图片

日前出版的学术期刊《科学》杂志以封面文章的形式刊登了“冰立方”中微子天文台的新成果：找到耀变体（Blazar）发射超高能中微子的证据。

“冰立方”（Ice Cube）是美国设在南极洲极点处的中微子天文台。它由分布在1立方公里内的86串光传感器（光电倍增管）构成，每串60个，位于冰层下1450米到2450米。当高能中微子被冰俘获，产生带电粒子，穿过传感器阵列，将产生切伦科夫光，就能被探测到。

2017年9月22日，冰立方探测到一个能量为290TeV的中微子。而目前人类建设的能量最高的加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，只能把粒子加速到7TeV。

“冰立方”的主要科学目标是通过中微子寻找高能宇宙射线的起源。为此，它建立了一个预警网络，对每个超高能中微子实时重建出其方向，并发布给其他望远镜，以便射电、光学、伽玛等其他波段观测手段能够及时发现对应的天体活动。

此次“冰立方”在观测到这个中微子43秒后，发出自动预警信息。刚开始，其他几个天文台并没有看到任何反常信号。6天后，费米卫星首先报告：在与“冰立方”给出的方向仅相差0.1度的地方，有个一个月前就开始闪耀的耀变体，逐渐变得特别明亮。很快，十几台射电、光学、伽玛望远望也观察到了显著信号，比如大西洋上的MAGIC大气切伦科夫望远镜。

科学家之所以这么关注这一情况，是因为它关系到高能宇宙线起源之谜。我们既不知道高能宇宙线从哪儿来，也不知道其加速机制，只是猜测它的来源可能包括中子星、伽玛射线暴、极端超新星、活动星系核等。

耀变体是活动星系核的一种，由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生剧烈天文现象。黑洞将吸积物质的引力能，或者黑洞的转动能量，转化为强大的相对论喷流。如果喷流指向我们的视线，就构成耀变体。

在耀变体喷流中，带电粒子可以加速到极高能量。由于带电粒子受宇宙中磁场的偏转，当它们到达地球时，我们并不知道它们来自何处——也许它们已在银河系旋转了几十圈，才飘飘荡荡地抵达地球。但被喷流加速的质子或核，与物质相互作用时能产生高能介子，最终衰变成光子和中微子，而中微子是不受磁场干扰的，能够直指源头。看到290TeV的中微子，意味着耀变体喷流可以产生至少几万TeV的质子和核，很可能就是宇宙中能量最高的粒子的出生地。

然而谜题仍未完全解开。实际上2016年“冰立方”就曾报道了活动星系核与高能中微子的关联，相关性为95%。不过，以严格的科学标准来看，95%的相关性还不够高，因此存在争议。发现这个中微子后，“冰立方”的科学家们重新检查了以前的数据，在这个方向上又找到一些中微子，使相关性达到了99.9%，约为3.5倍标准偏差。不过这离科学发现要求的5倍标准偏差标准还差一点。为了求解答案，冰立方计划近期开始升级，将体积增大10倍。

关于升级，还出现过一个小插曲。除了增大体积，“冰立方”还有另一种升级方案——在其中心一小块区域加大光传感器的密度，更准确地探测大气中微子，从而确定中微子的质量顺序（这个实验被称为PINGU）。而中微子质量测序是建设中的中国江门中微子实验的主要科学目标之一。假如PINGU实验得到高优先权的话，将是江门实验最有力的竞争对手。不过项目团队经过旷日持久的讨论，将优先权放在了扩大冰立方阵列上。毕竟，质量顺序有多个实验可以做，而“冰立方”只有一个。

顺便说，“冰立方”与引力波天文台LIGO是美国科学基金委支持的两大项目，“冰立方”的创建者弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）是个理论物理学家。他曾说，假如他有点实验经验的话，就不会提出做“冰立方”实验，因为他不知道一般冰中会有大量气泡，光子散射非常严重，导致无法重建出中微子的方向。可是实验建成后，人们惊奇地发现南极地底的冰跟别处不一样，上万年的压力将冰压得非常密实，光散射问题比预想要好得多。或许，科学的进展有时就是这样来源于“不着调”的想法。

（作者：曹俊，系中国科学院高能物理研究所研究员）