一个由中微子产生的μ子从右向左穿过冰立方的光电探测器，留下了一条可探测的光“径迹”。图片来源：ICECUBE COLLABORATION

本报讯 宇宙中微子是来自太空的亚原子粒子，由于极难捕捉，需要1公里宽的探测器才能发现它们。近日，位于南极的大型中微子探测器“冰立方”发现这些粒子的能谱中存在一个“扭结”，可以帮助揭示中微子的来源。相关论文即将在《物理评论快报》发表。

“这是一项开创性成果。”美国加州大学欧文分校的Kevork Abazajian表示。450人的冰立方团队发言人、荷兰乌得勒支大学的Erin O Sullivan表示：“现在，我们进入了一个新时代，可以开始真正详细测量这些中微子来源的性质了。”

几乎没有质量的中微子是由某些粒子相互作用和衰变产生的。每一秒钟，太阳核聚变产生的数万亿个中微子涌向我们每个人。为探测超新星爆发和其他来源的高能中微子，研究人员将5160个光电探测器沉入1立方千米的极地冰层中。当中微子撞击到探测器的原子核时，会产生大量带电粒子，这些粒子在穿越透明冰层时会闪光。

宇宙中微子由质子和原子核等粒子的衰变和碰撞产生。但具体是哪种天体物理来源产生了任何给定能量范围内的粒子，仍然存在争议。而宇宙射线和宇宙中微子的能谱可能隐藏着它们起源的线索。

随着能量的增加，两种粒子的丰度急剧下降：能量每增加10倍，探测到的粒子数量就减少到1/100，这种关系在数学上被称为幂律。此外，宇宙射线能谱还呈现出一些“褶皱”。例如，在约500千万亿电子伏特附近，出现了一个宽阔的“膝”形结构。美国纽约大学理论天体物理学家Glennys Farrar解释说，这一凸起被认为是在这个能量区间，银河系自身产生的宇宙射线逐渐消失，只剩下更稀少、能量更高的系外宇宙射线。

通过测量宇宙中微子的能谱来寻找相似特征是一项艰巨的任务，因为宇宙中微子必须从宇宙射线撞击大气层产生的中微子洪流中筛选出来。中微子有3种不同类型——电子、μ子和τ子，当它们撞击冰层时，都能产生相当紧凑的“级联”粒子。然而，一个μ子中微子也可以产生一种被称为μ子的弹状粒子，可以穿越数千米的冰层，这种“径迹”很容易被发现。

冰立方团队使用13年的数据，对这两种方式进行了分析。首先，他们使用常规方法测量的1万次级联事件和23万条径迹事件。随后，他们运用机器学习在数据中搜寻更罕见的事件，即级联或径迹始于探测器内部的事件。最终，他们筛选出了5000次级联和5000条径迹，并对产生这些径迹的中微子能量给出了更精确的估计。

美国特拉华大学的粒子天体物理学家、冰立方成员Aswathi Balagopal V.表示，在两种情况下，他们发现在30万亿电子伏特能量处，存在凸起或“拐折”的能谱比单一的光滑幂律更符合数据。两个独立团队进行的分析都得出了相同结果。

美国宾夕法尼亚州立大学的宇宙射线物理学家Stephane Coutu表示，这一结果是“重要、有趣和可信的”。事实上，宇宙中微子能谱中的特征可能比宇宙射线能谱中的特征更能揭示其信息。Coutu指出，宇宙射线会受到银河系磁场偏转的影响，并可能被途中的气体阻挡，而中微子则从源头直接不受阻碍地飞来，因此“我们在这里看到的一切直接反映了源头的实际情况”。

为弄清楚到底发生了什么，研究人员将尝试在宇宙射线和中微子能谱特征之间建立联系。Farrar认为，宇宙中微子能谱中的特征可能是宇宙射线“膝”区的一种反映，即银河系宇宙射线的通量在此减弱。（李木子）