冰立方记录到的格拉肖共振的可视化效果。每个着色的球体表示一个被事件信号触发的传感器；越偏向红色表示传感器被触发的时间越早。这一事件又被形象地称作“绣球花”（Hydrangea）。图片来源：IceCube Collaboration

来源 WIPAC，威斯康星大学麦迪逊分校

编译 武大可

编辑 戚译引

2016 年 12 月 6 日，一粒名为电子反中微子的高能粒子从太空携带 6.3 PeV（1 PeV = 10¹⁵ eV）的能量，以接近光速射向地球，在南极冰盖深处与一粒电子碰撞，生成了一个新粒子，随后迅速衰变为次级粒子。建立在南极冰川下的大型探测器——冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）成功捕获了这一事件。

嵌入南极冰层中的冰立方结构示意图。图片来源：IceCube / NSF

冰立方探测器阵列被部署在冰层内部，占地近 250 英亩（约 4000 平方米），传感器可抵达一英里（1.6 千米）深度。总而言之，冰立方能够覆盖一立方千米的空间范围，监测超过十亿吨极度洁净的冰体。

这一次，冰立方观测到了格拉肖共振（Glashow resonance）——由诺贝尔奖获得者谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow）于 1960 年预言的现象。通过这一观测，科学家们为粒子物理标准模型提供了又一证据。这也进一步展示了冰立方使用部署在南极冰盖下的数千枚探测器对这类静质量几乎为零的粒子——中微子进行探测，从而推动基础物理研究的强大能力。

1960 年，在位于丹麦哥本哈根的尼尔斯·玻耳研究所（Niels Bohr Institute）任博士后研究员的格拉肖提出了这一共振的理论模型。他在论文中指出，具有恰当能量的反中微子（中微子的反粒子）应能与电子以共振的方式相互作用，产生一种暂未发现的新粒子。

这一新粒子—— W^- 玻色子，于 1983 年被发现，而其能量为 6.3 PeV，这比当初格拉肖和同事们预想的高得多，几乎比欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）所能产生的能量高出 1000 倍。实际上，无论是现存的还是计划中的人造粒子加速器，都无法生成具有如此巨大能量的中微子。

人造加速器做不到，但太空中的天然加速器如何呢？星系中心的超大质量黑洞以及其他极端宇宙事件都能够生成地球上无法产生的高能粒子。这类现象极有可能就是 2016 年冰立方观测到的 6.3 PeV 反中微子的来源。

“格拉肖在玻尔手下做博士后的时候一定没有想到，他提出的这一 W^- 玻色子生成机制会被从遥远星系撞向南极冰盖的一粒反中微子实现，” 冰立方的运维部门主管、课题组长、美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）物理系教授 Francis Halzen 说。

自从冰立方于 2011 年 5 月开始全面运行以来，这一观测站已经数百次监测到天体高能中微子，并在粒子天体物理学中产生了许多重要成果，其中包括了 2013 年天体中微子流的发现和 2018 年首个天体中微子源的发现。但格拉肖共振事件仍然值得特别注意，因为它具备极高的能量——这是冰立方观测到的第三起能量在 5 PeV 以上的事件。

“这一结果证明了基于中微子的天文学研究的可行性，也证明了冰立方在这一领域进行研究的能力——它将在未来的多信使天体粒子物理（multimessenger astroparticle physics）中发挥重要作用，”德国慕尼黑工业大学（TU Munich）博士后 Christian Haack 说，“我们现在能够准确无误地对来自地外的单个中微子事件进行监测。”Haack 在德国亚琛工业大学（RWTH Aachen）攻读博士学位期间就开始参与这项分析工作。

这一成果也为中微子天文学打开了崭新篇章——这标志着科学家开始区分中微子和反中微子的差异。“以往的观测灵敏度还不足以区分中微子和反中微子的差异，而这次的研究成果首次成功对天体中微子流中的反中微子分量进行了直接测量，”时任日本千叶大学（Chiba University）博士后的论文主要分析者之一 Lu Lu 表示。

“天体中微子源的很多参数性质我们目前无法测量，例如加速结构的物理尺度以及加速区域的磁场强度，”威斯康星冰立方粒子天体物理中心（Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center）的助理科学家、研究的另一位主要分析者 Tianlu Yuan 说，“如果我们能够确认中微子与反中微子的占比，就能够对这些未知性质进行直接的研究。”

冰立方合作组织希望看到更多的格拉肖共振事件，以确认这次的探测结果，并对中微子-反中微子比进行确认。一份冰立方的扩展提案—— 冰立方二代（IceCube-Gen2），将使得科学家能够以具有统计学意义的方式进行这样的观测。团队近期宣布了将在未来几年对探测器进行的升级项目，这将是向冰立方二代迈出的第一步。

现任美国波士顿大学（Boston University）物理学名誉教授的格拉肖肯定了进行更多格拉肖共振探测的需求：“绝对可以肯定的是，我们将还会见到具有相同能量的同类事件。目前见到了一起事件，将来总会见到更多。”

最后，这一结果证明了国际合作的重要价值。冰立方由来自 12 个国家、53 家机构的超过 400 名科学家、工程师和工作者共同运营，，他们共同组成了冰立方合作组织。撰写这篇论文的主要分析者的合作跨域了亚洲、北美洲和欧洲。

“这一发现也是另一重意义上的‘首次’，证明了冰立方产出独特而出色的成果的能力，”瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）物理学教授、冰立方合作组织前发言人 Olga Botner 说。

“冰立方是一个了不起的项目。在短短几年的运行中，它不仅已经发现了设计时期望发现的东西——高能宇宙中微子、它们在耀变星体中可能的来源、以及它们对多信使天体物理研究的促进作用，”美国国家科学基金会（NSF）极地项目办公室（Office of Polar Programs）项目官员 Vladimir Papitashvili 说。NSF 物理学部（Division of Physics）项目官员 James Whitmore 补充：“如今，冰立方更是令科学家惊喜地发现了新的宝库，甚至连理论学家都没有预料到能这么快发现它们。”

参考来源：

https://eurekalert.org/pub_releases/2021-03/wipa-ido030821.php

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-03/msu-nid031021.php

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