来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近10年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达800磅的庞然大物。它拥有约5000个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子--tau中微子，却一直躲避着冰立方--直到现在。中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子--tau中微子--是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（DougCowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435846.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435846.htm

难以捉摸的幽灵鲨 - 揭开最奇特的深海生物之一的秘密

难以捉摸的幽灵鲨-揭开最奇特的深海生物之一的秘密"我们对这些难以捉摸的鲨鱼亲戚知之甚少，对它们的产卵习性和胚胎发育更是一无所知，"UF生物学助理教授加雷思-弗雷泽（GarethFraser）在出发前说。"我们将部署遥控潜水器，试图找到这些幽灵鲨产卵的地方。"弗雷泽说，幽灵鲨（正式名称为"chimaeras"）与鲨鱼和鳐鱼有亲缘关系，但在进化过程中却相隔了近4亿年，是最神秘、研究最不充分的鱼类之一。它们通常生活在深海中，因此科学家对它们的了解并不多。然而，世界上有几个地方，包括华盛顿沿岸的盐海，chimaeras会进入较浅的水域繁殖和觅食，尤其是在夏季。如果我们能找到它们的胚胎，我们就能开始了解导致这些鱼类特有的一些奇怪形态或生物特征的发育过程。佛罗里达大学生物学家加雷思-弗雷泽（GarethFraser）拿着一条幽灵鲨。图片来源：佛罗里达大学例如，幽灵鲨有一双像兔子一样圆溜溜的大眼睛，当它们在黑暗中匍匐觅食时，这双眼睛能让它们看见东西。它们有像啮齿动物一样不断生长的牙板，这就是它们经常被称为鼠鱼的原因。鲨鱼的皮肤上布满了牙齿，而chimaeras的皮肤上却没有牙齿，雄性chimaeras的前额上有一个巨大的球状物，叫做tenaculum，上面长着尖尖的牙齿，看起来就像鲨鱼的牙齿。弗雷泽解释说："我们认为，它们在交配时会利用这个头部扣环，就像头部的第二个'下巴'一样，咬住雌性并将其吸附在雌性身上。幽灵鲨是一类非常奇特的鲨鱼近亲，它们的生物学特性让它们有点另类。当我们有机会在这些不起眼的鱼类觅食和繁殖的地方找到它们时，我们必须去寻找它们。"雄性幽灵鲨的额头上有一个巨大的凸起，称为"tenaculum"。资料来源：佛罗里达大学去年，弗雷泽和全球其他研究人员在深水拖网项目中成功找到了成年幽灵鲨，但对年长鱼类的研究并不能揭示它们的发育过程。今年夏天对鬼头鲨筑巢区的水下搜索是首次针对这一物种的水下搜索。"弗雷泽说："去年我们发现了很多不同阶段的鱼，从刚孵化的幼鱼到完全成熟的成鱼，所以今年我们要回去寻找它们的育儿场。佛罗里达大学生物学家卡莉-科恩（KarlyCohen）在西雅图的一个码头上操作遥控潜水器。资料来源：佛罗里达大学幽灵鲨探索项目得到了美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation）对鲨鱼皮牙的资助和弗雷泽的佛罗里达大学启动基金的支持。该团队希望揭开牙齿起源的秘密，这将有助于他们进一步了解如何重新长出人类的牙齿。为期四天的考察于6月11日在西雅图开始，考察小组在一个码头上操作遥控潜水器（ROV），它实质上是一架水下无人机，在大约10米深的海底寻找幽灵鲨的筑巢地点。未来几周，研究小组将在普吉特海湾的埃利奥特湾和圣胡安群岛附近的其他地点，从船上部署深约100米的遥控潜水器。ROV上布满了360度视角的摄像头，它捕捉到的图像将为科学家们回到实验室后创建一个海洋深处的虚拟现实场景。弗雷泽说："这将把我们带到华盛顿州附近的海域，这样我们就可以虚拟地与这些幽灵鲨一起游泳，近距离、全景式地观察它们所处的环境。"弗雷泽实验室的UF生物学博士后卡莉-科恩（KarlyCohen）最初找到了潜在的幽灵鲨哺乳地点，她说他们的项目是帮助加强保护工作的绝佳机会。"了解这些研究不足的深水鱼类及其繁殖策略非常重要，"她说。"最终，我们希望保护这一真正富有魅力的物种。"这项研究由美国国家科学基金会资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374775.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374775.htm

哨兵6号卫星探测到正在形成的难以捉摸的厄尔尼诺现象

哨兵6号卫星探测到正在形成的难以捉摸的厄尔尼诺现象这幅动画显示了一系列的波浪，称为开尔文波，在3月和4月期间，暖水从西向东穿过赤道太平洋。这些信号可能是发展中的厄尔尼诺现象的早期迹象，由哨兵6号迈克尔-弗里里奇海平面卫星探测到。资料来源：NASA/JPL-Caltech美国-欧洲卫星"哨兵6号"的最新海平面数据MichaelFreilich表明，整个赤道太平洋出现了发展中的厄尔尼诺现象的早期迹象。数据显示开尔文波--在海洋表面大约有2至4英寸（5至10厘米）高，数百英里宽--沿着赤道自西向东向南美洲西海岸移动。当它们在赤道上形成时，开尔文波将与海平面升高有关的暖水从西太平洋带到东太平洋。从春天开始的一系列开尔文波是厄尔尼诺现象的一个众所周知的前兆，厄尔尼诺现象是一种周期性的气候现象，可以影响世界各地的天气模式。它的特点是海平面升高，美洲西部沿海地区的海洋温度高于平均水平。水在变暖后会膨胀，因此在水温较高的地方，海平面往往会升高。厄尔尼诺现象也与信风的减弱有关。这种情况可以给美国西南部带来更凉爽、更潮湿的条件，给西太平洋的国家，如印度尼西亚和澳大利亚带来干旱。4月24日来自Sentinel-6MichaelFreilich卫星的海平面数据显示，赤道和南美西海岸的海水相对较高（以红色和白色显示）和较热。水在变暖时膨胀，所以海平面在水温较高的地方往往更高。资料来源：NASA/JPL-Caltech这里显示的Sentinel-6MichaelFreilich卫星数据涵盖了2023年3月初至4月底这段时间。到4月24日，开尔文波已经在秘鲁、厄瓜多尔和哥伦比亚沿海堆积了较暖的水和较高的海平面（以红色和白色显示）。像"哨兵6号"MichaelFreilich这样的卫星可以用雷达测高仪探测开尔文波，它使用微波信号来测量海洋表面的高度。当高度计经过比其他地区更温暖的地区时，数据将显示更高的海平面。"我们将像鹰一样观察这次厄尔尼诺现象，"南加州美国宇航局喷气推进实验室的哨兵6号迈克尔-弗莱利奇项目科学家乔希-威利斯说。"如果它是一个大号的厄尔尼诺，全球将看到创纪录的变暖，但在美国西南部，我们可能会看到另一个潮湿的冬天，就在我们去年冬天时那样。"美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和世界气象组织最近都报告说，厄尔尼诺现象将在夏末发展的机会增加。通过仪器和卫星，如哨兵6号迈克尔-弗莱里奇对太平洋的海洋状况进行持续监测，有助于在未来几个月内澄清它可能变得多么强大。"当我们使用卫星高度计从太空测量海平面时，我们不仅知道水的形状和高度，还知道它的运动，如开尔文和其他波浪，"华盛顿的美国宇航局项目科学家和哨兵6号迈克尔-弗莱里奇的经理娜迪娅-维诺格拉多娃-希弗说。"海洋波浪在地球上甩动热量，把热量和水分带到我们的海岸，改变我们的天气"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360321.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360321.htm

新的研究极大地缩小了对难以捉摸的暗物质粒子的搜索范围

新的研究极大地缩小了对难以捉摸的暗物质粒子的搜索范围据信，它占宇宙质量的85%左右，由大约五倍于我们所熟悉的可见物质的质量组成。伯尔尼实验室的部分实验设备和博士生IvoSchulthess最近，在伯尔尼大学阿尔伯特-爱因斯坦基础物理中心（AEC）开发的一项精密实验之后，一个国际研究小组成功地大大缩小了暗物质存在的范围。拥有100多名成员的AEC是粒子物理学领域领先的国际研究组织之一。由伯尔尼领导的团队的研究结果最近发表在备受瞩目的《物理评论快报》上。围绕暗物质的谜团AEC的博士生、该研究的主要作者IvoSchulthess解释说："暗物质实际上是由什么构成的，现在还完全不清楚。然而，可以肯定的是，它不是由构成恒星、地球或我们人类的相同粒子构成的。在世界范围内，越来越敏感的实验和方法被用来寻找可能的暗物质粒子--然而，直到现在还没有成功。"IvoSchulthess，伯尔尼大学阿尔伯特-爱因斯坦基础物理中心（AEC）的博士生某些假设的基本粒子，即轴子，是一类有希望成为暗物质粒子的可能候选。这些极轻的粒子的一个重要优势是，它们可以同时解释粒子物理学中尚未理解的其他重要现象。伯尔尼实验揭开了黑暗的面纱"得益于多年的专业知识，我们的团队成功地设计和建造了一个极其敏感的测量仪器--BeamEDM实验，"AEC的低能和精密物理学教授FlorianPiegsa解释说，他在2016年因其对中子的研究而获得了欧洲研究委员会著名的ERC起始资助之一。如果难以捉摸的轴子真的存在，它们应该在测量仪器中留下一个特征性记录。Schulthess解释说："我们的实验使我们能够确定中子自旋的旋转频率，它在电场和磁场的叠加中移动。每个单独的中子的自旋就像一种罗盘针，它由于磁场而旋转，类似于手表的秒针--但速度快了近40万倍。"Piegsa解释说："我们精确地测量了这个旋转频率，并检查了它最小的周期性波动，这将是由与轴子的相互作用引起的。实验的结果很清楚：中子的旋转频率保持不变，这意味着在我们的测量中没有轴子的证据。"参数空间成功地缩小了与来自法国的研究人员一起在Laue-Langevin研究所的欧洲研究中子源进行的测量，允许在实验中排除一个以前完全没有探索过的轴子的参数空间。它还证明有可能搜索到假设的轴子，这些轴子将比以前其他实验可能的重1000多倍。Schulthess总结说："尽管这些粒子的存在仍然很神秘，但我们已经成功地排除了暗物质的一个重要参数空间。未来的实验现在可以在这项工作的基础上进行。"Piegsa解释说："最终回答暗物质的问题将使我们对自然界的基本原理有一个重要的了解，并使我们向完全理解宇宙迈进一大步。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338533.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338533.htm

探地雷达正在帮助寻找难以捉摸的珍稀北方毛鼻袋熊

探地雷达正在帮助寻找难以捉摸的珍稀北方毛鼻袋熊对于这些害羞、独居的有袋类动物来说，这样的非侵入性研究非常理想BradLeue/澳大利亚野生动物保护协会澳大利亚野生动物保护协会（AWC）、袋熊基金会（TWF）和昆士兰州环境与科学部（DES）的研究人员正在理查德-安德伍德自然保护区（RUNR）利用雷达技术探索袋熊3.5米深（11.5英尺）的洞穴。该保护区已成功建立了袋熊种群；袋熊曾广泛分布于澳大利亚东部，但自1982年以来，只在昆士兰的埃平森林发现过袋熊。袋熊基金会的利安-布鲁斯南（LeanneBrosnan）说："这是一个令人激动的项目--利用尖端技术揭示袋熊的古老智慧。这将使我们能够首次从幕后窥探袋熊（在RUNR）的私人洞穴，让我们对袋熊难以捉摸的生存状态有了新的、宝贵的了解"。尽管它们难以捉摸，但为放牧而开垦的土地以及来自兔子等其他贪婪的食草动物的激烈竞争使它们的数量和分布范围急剧缩小。这意味着北毛鼻袋熊比大熊猫和苏门答腊虎还要稀有。虽然GPR系统看起来像一个美化了的手推式割草机，但它利用雷达脉冲来绘制洞穴的实时三维地图，洞穴最长可达90米（295英尺），科学家们还对自然挖掘的避风港和DES为使动物更容易搬进新家而创建的"起步"家园进行了比较。GeoSpacial技术员马克斯-托马斯（MaxThomas）在理查德-安德伍德自然保护区使用GPR绘制洞穴地图。这是为寻找这些害羞和胆小的动物而打破常规思维的最新成果。北方毛鼻袋熊喜静，只在夜间出来觅食六小时左右。当然，这也使得该物种难以捉摸，难以研究和开发保护项目。"我们正在以一种人类从未有过的方式窥探北部毛鼻袋熊的洞穴，"AWC高级野外生态学家安迪-豪（AndyHowe）说。"2015年，我们对南方毛鼻袋熊进行了类似的研究，但是，老式的GPR技术无法实时绘制出洞穴图，也无法捕捉到更精细的结构细节。"理查德-安德伍德自然保护区袋熊洞穴系统的初步轮廓AndyHowe/AustralianWildlifeConservancy北部毛鼻袋熊是澳大利亚三种袋熊中体型最大的一种。它们有宽阔的鼻子、尖尖的耳朵、柔软的灰色皮毛和黑色眼斑，体重可达30公斤（66磅）。它们的寿命约为30年。袋熊有一些独特的特征，但最著名的可能是它们立方体形状的粪便。其他袋熊物种目前正在与广泛寄生的疥螨引起的致命的讽刺性疥癣作斗争。北方毛鼻袋熊唯一有记载的土著名称是"Yaminon"。GPR项目的结果将于11月公布，请观看下面的视频，看看袋熊从洞穴中出来时的样子。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380759.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380759.htm

幽灵般的天体信使 - 中微子揭示了银河系的新面貌

幽灵般的天体信使-中微子揭示了银河系的新面貌高能中微子的能量比为恒星提供动力的核聚变反应产生的能量高几百万到几十亿倍，由冰立方中微子观测站探测到，这是一个在阿蒙森-斯科特南极站运行的千兆探测器。它的建造和运行得到了美国国家科学基金会（NSF）的资助和冰立方合作组织机构成员所在的14个国家的额外支持。中微子视图（蓝天地图）在银河系的艺术家印象前。资料来源：冰立方合作组织/CRC1491的科学交流实验室这个独一无二的探测器涵盖了一立方公里的南极深层冰，上面装有5000多个光传感器。冰立方搜索来自我们银河系和其他地方的高能中微子的迹象，直到宇宙的最远处。威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授、冰立方首席研究员弗朗西斯-哈尔森说："令人感兴趣的是，与任何波长的光的情况不同，在中微子中，宇宙比我们银河系中的附近来源更亮。"美国国家科学基金会物理部主任丹尼斯-考德威尔（DeniseCaldwell）说："正如经常发生的那样，科学上的重大突破是由技术的进步促成的。"高灵敏度的冰立方探测器所提供的能力，加上新的数据分析工具，使我们对我们的星系有了一个全新的看法--以前只是暗示过。随着这些能力的不断完善，我们可以期待看到这幅图景以越来越高的分辨率出现，可能会揭示出人类从未见过的银河系的隐藏特征。"冰立方实验室在星空下的景色，显示出银河和绿色极光。资料来源：YuyaMakino,IceCube/NSF宇宙射线--高能质子和较重的核子，也产生于我们的银河系--与银河系气体和尘埃之间的相互作用不可避免地产生伽马射线和中微子。鉴于对来自银河系平面的伽马射线的观察，银河系被期望成为高能中微子的来源。德雷塞尔大学物理学博士生、冰立方成员、联合首席分析员SteveSclafani说："现在已经测量到了中微子的对应物，从而证实了我们对银河系和宇宙射线源的了解。"搜索的重点是南部天空，预计在我们银河系的中心附近，来自银河系平面的中微子发射大部分都在那里。然而，直到现在，宇宙射线与地球大气层相互作用产生的μ子和中微子的背景构成了重大挑战。弗朗西斯-哈尔岑，冰立方首席科学家和华盛顿大学麦迪逊分校的教授。资料来源：ELPAIS/BERNARDOPÉREZ为了克服这些挑战，德雷塞尔大学的冰立方合作者开发了选择"级联"事件的分析方法，即冰中的中微子相互作用导致了大致球形的光束的出现。由于来自级联事件的沉积能量开始于仪器的体积内，大气中的μ子和中微子的污染就会减少。最终，级联事件的纯度较高，对来自南方天空的天体物理中微子有更好的敏感性。然而，最终的突破来自于机器学习方法的实施，该方法由多特蒙德工业大学的冰立方合作者开发，改善了对中微子产生的级联的识别，以及它们的方向和能量重建。对来自银河系的中微子的观测是机器学习在冰立方的数据分析和事件重建中提供的新兴关键价值的一个标志。冰立方成员、多特蒙德大学物理学博士生、联合首席分析员MircoHünnefeld说："改进后的方法使我们能够保留超过一个数量级的中微子事件，并进行更好的角度重建，从而使我们的分析比以前的搜索要敏感三倍。"研究中使用的数据集包括60,000个横跨10年冰立方数据的中微子，是之前使用级联事件分析银河系平面所选事件的30倍。这些中微子与以前发表的预测图进行了比较，这些预测图显示了银河系在天空中预计会闪现中微子的位置。这些地图包括一个通过推断费米大面积望远镜对银河系的伽马射线观测结果制成的地图，以及两个被制作这些地图的理论家小组确定为KRA-伽马的替代地图。多特蒙德工业大学物理学教授、冰立方成员、Hünnefeld的顾问WolfgangRhode说："这个期待已久的星系中宇宙射线互动的探测也是一个精彩的例子，说明当机器学习中的现代知识发现方法被持续应用时，可以取得什么样的成果。"机器学习的力量提供了巨大的未来潜力，使其他的观测更接近于可及。佐治亚理工学院物理学教授、冰立方发言人IgnacioTaboada说："银河系作为高能中微子来源的有力证据已经经受住了合作的严格考验。下一步是确定星系内的具体来源。"这些和其他问题将在冰立方计划的后续分析中得到解决。德雷塞尔大学物理学教授、冰立方成员、Sclafani的顾问NaokoKurahashiNeilson说："首次使用粒子而不是光来观测我们自己的星系是一个巨大的进步。随着中微子天文学的发展，我们将得到一个观察宇宙的新镜头。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368507.htm