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

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱石川说："我们的研究成果对于理解一些最基本的物质粒子的量子力学相互作用非常重要。它们还可能有助于揭示太阳和其他恒星中目前鲜为人知的现象的细节"。中微子是最神秘的基本物质粒子之一。由于中微子几乎不与其他粒子发生任何相互作用，因此极难对其进行研究。它们呈电中性，几乎没有质量。然而，它们的数量却非常丰富，大量的中微子不断从太阳中流出，穿过地球，甚至穿过我们自己，却几乎没有任何影响。了解更多有关中微子的信息，对于检验和完善我们目前对粒子物理学（即标准模型）的理解非常重要。日全食，日冕清晰可见。"在正常的'经典'条件下，中微子不会与光子发生相互作用，"石川解释说，"然而，我们已经揭示了中微子和光子如何能够在极大规模的均匀磁场中发生相互作用--大到103千米--这种磁场出现在恒星周围被称为等离子体的物质形态中。等离子体是一种电离气体，这意味着它的所有原子都获得了或多或少的电子，使它们成为带负电或正电的离子，而不是地球上日常条件下可能出现的中性原子。"弱电霍尔效应及其影响研究人员所描述的相互作用涉及到一种名为"电弱霍尔效应"的理论现象。这是电与磁在极端条件下的相互作用，自然界的两种基本力--电磁力和弱作用力--在此融合为弱电。这是一个理论概念，预计只适用于早期宇宙的极高能条件或粒子加速器的碰撞中。研究得出了这种意想不到的中微子-光子相互作用的数学描述，即拉格朗日。它描述了有关该系统能量状态的所有已知信息。石川健三，该研究的第一作者和通讯作者。图片来源：SohailKeeganPinto石川说："除了有助于我们理解基础物理学之外，我们的研究还可能有助于解释日冕加热之谜。这是一个由来已久的谜团，它涉及太阳最外层大气--日冕--的温度远高于太阳表面温度的机制。我们的工作表明，中微子和光子之间的相互作用释放出能量，使日冕升温"。石川在总结发言中表达了他们团队的愿望："我们现在希望继续我们的工作，寻找更深入的见解，特别是在这些极端条件下中微子和光子之间的能量转移"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383901.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383901.htm

探索物理学的黑暗事务：大型强子对撞机进入未知领域

探索物理学的黑暗事务：大型强子对撞机进入未知领域FASER合作组织在其测量活动中首次观测到了在大型强子对撞机（LHC）上产生的中微子，其统计意义超过了粒子物理学中的发现门槛。该观测包括μ介子中微子和电子中微子的候选事件。此外，该合作项目还展示了对暗光子的搜索结果，这使得由暗物质激发的区域被排除在外。FASER旨在收集更多的数据，以便进行更多的搜索和中微子测量。在大型强子对撞机上对质子对撞产生的中微子进行探测，可以促进对来自天体物理源的高能中微子的研究，并检验不同中微子种类的相互作用机制的普遍性。在大型强子对撞机第3次运行和测量活动开始后的短短9个月内，FASER合作组织改变了这一局面，在今年的莫里昂会议的弱电会议上宣布了它对对撞机中微子的首次观测。特别是，FASER观察到μ介子中微子和电子中微子的候选事件。FASER的联合发言人杰米-博伊德解释说："我们的统计意义大约是16西格玛，远远超过了5西格玛，这是粒子物理学中发现的门槛。"除了在粒子对撞机上对中微子的观测外，FASER还展示了对暗光子的搜索结果。通过一个空的结果，该合作项目能够对以前未曾探索过的参数空间设定限制，并开始排除由暗物质激发的区域。FASER的目标是在未来几年内收集多达10倍的数据，以便进行更多的搜索和中微子测量。FASER（顶部）和[email protected]（底部）探测器。资料来源：CERNFASER是位于ATLAS洞穴两侧的两个新实验之一，用于探测ATLAS中质子对撞产生的中微子。补充实验[email protected]也在Moriond报告了它的第一个结果，显示了八个μ介子中微子候选事件。"我们仍在努力评估对背景的系统不确定性。作为一个非常初步的结果，我们的观测可以在5西格玛的水平上，"[email protected]发言人GiovanniDeLellis补充说。[email protected]探测器被安装在LHC隧道中，正好赶上LHCRun3运行阶段的开始。到目前为止，中微子实验只研究来自太空、地球、核反应堆或固定目标实验的中微子。虽然天体物理学的中微子能量很高，比如那些可以被南极的冰立方实验检测到的中微子，但太阳和反应堆的中微子通常能量较低。固定目标实验的中微子，如欧洲核子研究中心北区和前西区的中微子，其能量区域最高为几百千兆电子伏（GeV）。FASER和[email protected]将缩小固定目标中微子与天体物理中微子之间的差距，覆盖更高的能量范围--几百GeV到几TeV之间。研究人员正在参与的未探索的物理学课题是研究来自天体物理源的高能中微子。事实上，LHC中微子的产生机制，以及它们的质心能量，与宇宙射线与大气碰撞产生的超高能中微子是一样的。那些"大气层"中微子构成了观测天体物理中微子的背景：FASER和[email protected]的测量可以用来精确估计该背景，从而为观测天体物理中微子铺平道路。这些搜索的另一个应用是测量所有三种类型中微子的产生率。这些实验将通过测量由同一类型的母粒子产生的不同中微子种类的比率来检验其相互作用机制的普遍性。这将是对标准模型在中微子领域的一个重要测试。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352637.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352637.htm

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子这种粒子在1956年首次被发现，并在使恒星燃烧的过程中发挥了关键作用。这一发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的性质。这项工作还可以揭示出宇宙中微子的情况，这些中微子会长途跋涉并与地球发生碰撞，为了解宇宙的遥远部分提供了一个窗口。这是"前向搜索实验"（FASER）的最新成果，这是一个由国际物理学家小组设计和建造的粒子探测器，安装在瑞士日内瓦的欧洲核子研究理事会（CERN）。在那里，FASER检测由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子。加州大学欧文分校粒子物理学家和FASER合作项目共同发言人乔纳森-冯（JonathanFeng）说："我们从一个全新的来源--粒子对撞机当中发现了中微子，在那里你有两束粒子以极高的能量砸在一起。"他发起了这个项目，UCI和21个合作机构的80多名研究人员参与其中。FASER粒子探测器位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的地下深处，大部分是用欧洲核子研究中心其他实验的备件建造的。信用：照片由欧洲核子研究中心提供欧洲核子研究中心的粒子物理学家布莱恩-彼得森周日代表FASER在意大利举行的第57届RencontresdeMoriond弱电相互作用和统一理论会议上宣布了这些结果。中微子是由已故UCI物理学家和诺贝尔奖得主FrederickReines在近70年前共同发现的，是宇宙中最丰富的粒子，"对建立粒子物理学的标准模型非常重要，"FASER联合发言人JamieBoyd说。"但是在对撞机上产生的中微子从未被实验所探测到。"自从Reines和UCI物理学和天文学教授HankSobel等人的开创性工作以来，物理学家研究的大多数中微子都是低能量的中微子。但是FASER检测到的中微子是在实验室中产生的最高能量的中微子，与深空粒子在我们的大气层中引发巨大的粒子雨时发现的中微子相似。Boyd说："它们能以我们无法了解的方式告诉我们关于深空的情况。大型强子对撞机中的这些非常高能量的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观察结果非常重要。"FASER本身在粒子探测实验中是新的和独特的。与欧洲核子研究中心的其他探测器相比，如ATLAS，它有几层楼高，重达数千吨，而FASER大约只有一吨，可以整齐地放在欧洲核子研究中心的一个小侧隧道内。而且，它只花了几年时间就利用其他实验的备件进行设计和建造。UCI实验物理学家戴夫-卡斯帕说："中微子是大型强子对撞机上更大的实验无法直接探测到的唯一已知粒子，所以FASER的成功观测意味着对撞机的全部物理学潜力终于被开发出来了。"除了中微子，FASER的另一个主要目标是帮助识别构成暗物质的粒子，物理学家认为暗物质包括宇宙中的大部分物质，但他们从未直接观察到。FASER尚未发现暗物质的迹象，但随着大型强子对撞机将在几个月后开始新一轮的粒子对撞，该探测器已经准备好记录任何出现的暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350507.htm

天文学家探测到来自拥有巨大黑洞的银河系邻居的"幽灵"粒子

天文学家探测到来自拥有巨大黑洞的银河系邻居的"幽灵"粒子尽管在地球上探测到的这些被恰当地命名为"幽灵"的粒子大多来自太阳或我们自己的大气层，但有些中微子来自宇宙，远远超出了我们的银河系。这些中微子被称为天体物理学中微子，可以为了解宇宙中一些最强大的天体提供有价值的信息。一个国际科学家团队首次发现了从鲸鱼座NGC1068星系中发出的高能天体中微子的证据。这次探测是由冰立方中微子观测站进行的。这个重达10亿吨的中微子望远镜由科学仪器和冰组成，位于南极地表下1.5-2.5公里（0.9至1.2英里）处。美国国家科学基金会（NSF）为冰立方中微子观测站（IceCubeNeutrinoObservatory）提供了主要资金，威斯康星大学麦迪逊分校是牵头机构，负责该探测器的维护和运营。本月发表在《科学》杂志上的这些新结果，是在威斯康星州发现研究所的一次演讲中分享的。"一个中微子可以单挑出一个来源。但是只有用多个中微子进行观测，才能揭示出最有能量的宇宙物体被遮蔽的核心，"威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方项目的主要研究人员FrancisHalzen说。"冰立方已经从NGC1068积累了大约80个太电子伏特能量的中微子，这些中微子还不足以回答我们所有的问题，但它们绝对是实现中微子天文学的下一个重要步骤。"冰立方由国际冰立方合作组织管理，该组织由来自世界各地58个机构的350多名科学家组成。威斯康星州冰立方粒子天体物理中心（WIPAC）是华盛顿大学麦迪逊分校的一个研究中心，是冰立方项目的牵头机构。WIPAC负责冰立方中微子观测站的维护和运行，包括确保探测器昼夜运行。该天文台通过微小的蓝光闪烁来探测中微子，这些蓝光被称为切伦科夫光，当中微子与冰中的分子相互作用时产生。在47光年的距离内，螺旋星系NGC1068是我们银河系的一个相对近的邻居。资料来源：NASA/ESA/A.vanderHoeven在WIPAC，一个由科学家、技术和支持人员组成的多元化团队使数据为科学服务，使冰立方的科学家能够进行广泛的调查。WIPAC团队为冰立方前十年的数据提供了一个新的版本，它使用了明显改进的探测器校准。这个卓越的数据集为确定NGC1068是一个中微子源做出了贡献。"几年前，NSF启动了一个雄心勃勃的项目，通过将光学和射电天文学的既定能力与探测和测量中微子和引力波等现象的新能力相结合，扩大我们对宇宙的了解，"NSF物理部主任DeniseCaldwell说。"冰立方中微子天文台将一个邻近的星系确定为中微子的宇宙源，这只是这个令人激动的新领域的开始，它有望深入了解大质量黑洞的未被发现的力量和宇宙的其他基本属性。"NGC1068星系也被称为Messier77，是迄今为止人们最熟悉和研究最深入的星系之一。这个星系位于4700万光年之外--从天文学的角度来看很近--用一副大型双筒望远镜就可以观察到。与我们的母星系银河系一样，NGC1068也是一个条形螺旋星系，有松散的旋臂和一个相对较小的中央隆起。然而，与银河系不同的是，NGC1068是一个活跃的星系，其中大部分辐射不是由恒星产生的，而是由落入黑洞的物质产生的，其质量比我们的太阳大几百万倍，甚至比银河系中心的非活跃黑洞还要大。从NGC1068方向探测到的大约80个过量的中微子是在改进分析技术和重新处理数据之后发现的--这项工作由WIPAC的冰立方研究人员领导。在冰立方看到的揭示中微子相互作用的模型采用了新的计算技术，可以更好地测量每个中微子的传入方向，以及通过机器学习对中微子能量进行更准确的测量。佐治亚理工学院的物理学教授、冰立方合作组织的发言人IgnacioTaboada表示，这一最新结果与之前在2020年发表的关于NGC1068的研究相比有了很大的改进。Taboada说："这种改进部分来自于增强的技术，部分来自于对探测器校准的精度升级。探测器操作和校准团队的工作使得更好的中微子定向重建能够精确地定位NGC1068并实现这一观测。"华盛顿大学麦迪逊分校的物理学教授AlbrechtKarle正在领导升级目前的冰立方观测站的工作，他说NGC1068的探测对中微子天文学的未来来说是"好消息"。这意味着有了新一代更敏感的探测器，将会有很多东西可以发现。他还在领导开发下一代中微子观测站，作为南极现有设施的延伸和技术升级而建造。Karle说："未来的第二代IceCube-Gen2观测站不仅可以探测到更多的这些极端粒子加速器，而且还可以在更高的能量下研究它们。"在探测到来自NGC1068的几十个中微子之前，冰立方的科学家们已经报告了对一个高能天体物理中微子源的首次观测。该源是TXS0506+056，一个位于猎户座左肩外的约40亿光年外的炽热星体。NGC1068的观测结果表明，还有更多的天体中微子源有待于发现。"冰立方之前已经发现宇宙中的中微子在发光，而这种发光的来源一直是一个令人兴奋的谜，"华盛顿大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方的成员贾斯汀-范登布洛克说。"NGC1068提供了这一难题的一个关键部分，但只能解释总信号的大约百分之一。一定还有许多其他的中微子源，而且很可能还有其他类型的源，等待我们去发现。"揭开被遮蔽的宇宙的面纱才刚刚开始，中微子将引领天文学的一个新的发现时代。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333055.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333055.htm

追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一

追逐幽灵粒子：新发现可帮助回答物理学中最令人困惑的问题之一由明尼苏达大学双城分校理论物理学家领导的一个团队发现了一种寻找轴子的新方法，轴子是可以帮助解决这个谜团的假想粒子。与费米拉布国家加速器实验室的实验研究人员合作，物理学家们的新策略为在粒子对撞机实验中检测轴子开辟了以前未曾探索过的机会。研究人员的论文在美国物理学会出版的同行评审科学杂志《物理评论快报》上发表并作为编辑的建议。明尼苏达大学的研究人员寻找假设的轴子的新方法包括测量粒子"衰变"为两个μ子，这些粒子基本上是电子的较重版本--如上图所示。资料来源：明尼苏达大学的雷蒙德-科"作为粒子物理学家，我们正在努力发展我们对自然的最佳理解，"该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院助理教授刘震说。"在过去的一个世纪里，科学家们通过既定的理论框架在寻找基本粒子方面取得了巨大的成功。因此，中子为什么不与电场耦合是极其令人费解的，因为在我们已知的理论中，我们期望它们会这样。如果我们真的发现了轴子，这将是我们对自然界结构的基本理解的一个巨大进步。"研究亚原子粒子和可能发现新粒子的主要手段之一是对撞机实验。从本质上讲，科学家们强迫粒子束进行碰撞--当它们相互撞击时，它们产生的能量会产生其他粒子，并通过一个探测器，使研究人员能够分析它们的特性。刘和他的团队提出的方法涉及测量"衰变"产物--或者当一个不稳定的重粒子转化为两个μ介子（已知的粒子，基本上是电子的较重版本）的多个较轻粒子时会发生什么。通过从探测器中的μ子轨道向后重建这种衰变，研究人员相信他们有机会找到轴子并证明其存在。该论文的共同作者、明尼苏达大学物理和天文学学院和威廉-费恩理论物理研究所的博士后研究员RaymondCo说："通过这项研究，我们正在扩大我们可以搜索轴子粒子的方法。人们以前从未将轴子衰变为μ子作为在中微子或对撞机实验中搜索轴子粒子的一种方式。这项研究开辟了新的可能性，为我们领域的未来努力铺平道路。"刘和Co，以及明尼苏达大学物理学和天文学博士后研究员Kun-FengLyu和加州大学伯克利分校博士后研究员SoubhikKumar是这项研究的理论部分的支持者。他们是ArgoNeuT合作的一部分，该合作汇集了来自全国各地的理论家和实验家，通过费米实验室的实验研究粒子。在这篇论文中，明尼苏达大学领导的理论团队与实验研究人员合作，利用他们的新方法和ArgoNeuT实验的现有数据进行轴子的搜索。研究人员计划在未来使用实验结果来进一步完善他们对轴子产生率的理论计算。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366105.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366105.htm