冰立方：中微子能量谱中存在一个拐点

宇宙中微子的相关研究迎来转折——这种源自太空的亚原子粒子极其难以捕捉，需要动用平方公里级的探测器才能探测到其踪迹。南极巨型中微子探测器“冰立方”（IceCube）的物理学家团队称，这些极难探测的粒子，其能量谱中存在一个拐点。这项研究成果已投稿至《物理评论快报》，该拐点或有助于揭示宇宙中微子的起源，尤其是当它能与带电宇宙射线能谱中的类似特征建立关联时。

“这是一项开创性的成果。”美国加州大学欧文分校理论天体物理学家凯沃尔克·阿巴扎吉安评价道，他并未参与冰立方项目。荷兰乌得勒支大学中微子天体物理学家、由450人组成的冰立方团队发言人艾琳·奥沙利文表示：“如今我们正迈入一个全新阶段，得以真正对这些中微子的来源天体属性展开精细化测量。”

中微子质量几乎为零，产生于特定的粒子相互作用与衰变过程。每一秒钟，都有万亿计由太阳核聚变反应产生的中微子穿过我们的身体。为了探测超新星爆发等天体事件产生的更高能中微子，冰立方团队的研究人员在南极1立方公里的冰层中，埋设了5160个光电探测器。当某个中微子撞击冰层中的原子核时，会引发带电粒子的簇射；这些粒子在穿越超纯净冰层的过程中，会释放出光子信号。

在过去十年间，冰立方探测器不仅观测到了银河系自身的中微子辐射，还探测到邻近的“鱿鱼星系”发出的中微子信号，同时捕捉到了耀变体这类暂现天体事件产生的中微子。科学家认为，宇宙中微子与带电宇宙射线源自相同的剧烈天体过程——因为宇宙中微子正是由质子、原子核这类带电宇宙射线粒子衰变和碰撞产生的。但具体哪类天体源会产生特定能量区间的粒子，目前仍存争议。而宇宙射线与宇宙中微子的能谱特征，或许暗藏着揭示其起源的关键线索。

随着能量升高，这两类粒子的丰度都会迅速下降：能量每提升10倍，探测到的粒子数量就会减少超过100倍。从数学角度看，这种关系被称为**幂律分布**。但在这一主导趋势之上，宇宙射线能谱还呈现出若干特殊的“起伏特征”。例如，在能量达到500千万亿电子伏特附近时，宇宙射线能谱会出现一个宽阔的“膝区”。纽约大学理论天体物理学家格莱妮丝·法拉尔解释称，这个能谱拐点的形成，可能是因为在该能量附近，银河系内产生的宇宙射线通量趋近于零，仅剩下通量更低、能量更高的河外宇宙射线。

想要精准测量宇宙中微子能谱、寻找类似的特征，本身就是一项艰巨的任务。因为宇宙中微子信号需要从宇宙射线撞击地球大气层产生的海量大气中微子背景里筛选出来。此外，中微子分为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子三种类型；这三类中微子撞击冰层时，都会产生相对紧凑的粒子簇射。但μ子中微子还会产生一种类似“子弹”的μ子粒子，这种粒子能够穿越数公里厚的冰层。这类“径迹型”信号虽然易于探测，但如果研究人员只观测到径迹的中间部分，就无法精确估算出原始中微子的能量。

于是，冰立方团队采用两种分析方法，对13年的观测数据展开研究。第一种方法是常规分析，基于测得的1万个簇射事件和23万个径迹事件进行分析；第二种方法则借助机器学习技术，在数据中搜寻更为罕见的特殊事件——即簇射或径迹起始点位于探测器探测体积内的事件。这套先进的分析工具筛选出了5000个簇射事件和5000个径迹事件，其中许多事件在常规分析中并未被识别出来，同时还能更精确地估算出产生这些径迹的中微子能量。

特拉华大学粒子天体物理学家、冰立方团队成员阿斯瓦蒂·巴拉戈帕尔·V主导了此次机器学习分析工作。她表示，两个独立的研究小组分别从数据中提取宇宙中微子能谱，最终均发现：在30万亿电子伏特的能量点上存在一个隆起或“断点”的能谱模型，相比单一平滑的幂律分布模型，能够显著更好地拟合观测数据。“两个独立团队开展分析，最终得出了完全一致的结论。”

宾夕法尼亚州立大学宇宙射线物理学家斯特凡纳·库图指出，这项研究成果“意义重大、引人关注且可信度高”。他补充道，事实上，宇宙中微子能谱中的这一特征，或许比宇宙射线能谱中的特征更具揭示性。因为宇宙射线会受到银河系磁场的偏转，还会被星际介质中的气体阻挡，而中微子则能不受阻碍地从源头径直飞向地球。因此，“我们观测到的所有中微子信号，都能直接反映其源头天体正在发生的物理过程”。

为了厘清这背后的具体机制，研究人员将尝试建立宇宙射线与中微子能谱特异特征之间的关联。阿巴扎吉安表示：“我认为这才是研究的真正目标。”相关推测已然展开，法拉尔提出，宇宙中微子能谱中的这一特征，或许是宇宙射线“膝区”的映射——当银河系宇宙射线的通量衰减时，相应能量区间的中微子通量也会随之截断。“在我看来，这一能量区间存在中微子是非常自然的现象，但由于不存在更高能的银河系宇宙射线，中微子通量也会相应下降。”