冰立方：開啟高能中微子天文學(xué)之窗

中微子ABC

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，最早由著名物理學(xué)家泡利在解釋中子衰變過程中的“能量丟失”現(xiàn)象時(shí)提出。今天我們知道中微子有電子中微子，繆子中微子和陶子中微子三種“味道”，分別對應(yīng)于電子、繆子和陶子；中微子具有微小但非零的質(zhì)量，不同種類的中微子之間可以相互轉(zhuǎn)化；中微子不帶電，和物質(zhì)相互作用很弱，可以輕易穿透天體乃至整個(gè)宇宙，是揭示天體內(nèi)部性質(zhì)的重要信使。

設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的中微子及其對應(yīng)輕子的玩偶 | 圖源：The Particle Zoo。https://www.particlezoo.net 網(wǎng)站有售。

〇 關(guān)于中微子的研究先后頒發(fā)了4次諾貝爾獎(jiǎng)。

1956年美國物理學(xué)家萊茵斯和科萬利用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)首次探測到中微子，萊茵斯因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)。值得一提的是1941年中國物理學(xué)家王淦昌曾提出探測中微子的一種實(shí)驗(yàn)方案，利用輕原子核K層電子俘獲釋放中微子產(chǎn)生的核反沖來間接驗(yàn)證中微子的存在,并獲得美國物理學(xué)家艾倫等的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

1962年萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格利用質(zhì)子加速器實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第二類中微子——繆子中微子，他們?nèi)艘搏@得諾貝爾獎(jiǎng)。

1968年戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子缺失現(xiàn)象，1987年小柴昌俊發(fā)現(xiàn)超新星1987A的中微子，二人獲得2002年度諾貝爾獎(jiǎng)。

日本的超級神岡實(shí)驗(yàn)以及加拿大的薩德伯里實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)大氣中微子和太陽中微子反?，F(xiàn)象是由于它們轉(zhuǎn)化成了別的類別的中微子，即中微子振蕩，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人梶田隆章和麥克唐納因此獲得2015年度諾貝爾獎(jiǎng)。

〇 產(chǎn)生中微子的物理過程主要有兩類：核反應(yīng)和介子衰變。前者是低能中微子的主要來源，如，反應(yīng)堆中微子、太陽及超新星核合成過程產(chǎn)生中微子等；后者是高能中微子的主要來源，例如，高能宇宙射線轟擊空氣產(chǎn)生大氣中微子，或者天體物理加速器加速的高能宇宙射線與物質(zhì)或者靶光子反應(yīng)產(chǎn)生中微子等。

與太陽以及超新星核合成過程產(chǎn)生的低能中微子不同，天體物理起源的高能（>TeV, 注：1 TeV = 1012 eV, 1 eV = 1.6×10?1?焦耳）中微子輻射由高能宇宙射線和物質(zhì)或靶光子相互作用產(chǎn)生的介子衰變而來。因此，高能中微子是解答高能宇宙射線的起源這一謎題的重要信使。

利用高能中微子研究高能宇宙射線起源具有獨(dú)到的優(yōu)勢，因?yàn)橹形⒆雍臀镔|(zhì)相互作用很弱，不容易受到干擾，可以傳遞出天體最核心的物理信息。和電磁輻射相比，中微子可以傳遞“高保真無損”信息。比如太陽內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生的光子輾轉(zhuǎn)到太陽表面需要十萬年左右的時(shí)間，而且在這過程中這些光子早已不知道來來去去反應(yīng)了多少回了，而中微子產(chǎn)生后則只需要一兩秒的時(shí)間就跑出來了，還是“原汁原味”的中微子。

南極“大冰棍”：冰立方天文臺(tái)

中微子很難與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的這一特征使中微子能夠無損地傳遞天體內(nèi)部的信息，然而這一特征同時(shí)也增加了其探測難度，因此探測中微子通常需要碩大無比的探測器。人們往往借助天然水體或者冰體作為探測器，位于南極的冰立方（IceCube）中微子天文臺(tái)即是這樣一個(gè)龐然大物，冰立方建設(shè)在南極冰面下1450-2450米之間，所占體積約為1立方公里，其示意圖如圖1所示，其地面建筑的真實(shí)照片如圖2所示。

圖1 冰立方探測器示意圖 | 圖源：phys.org。

圖2 冰立方在南極點(diǎn)的地上實(shí)驗(yàn)室的剪影 | 圖源：https://icecube.wisc.edu/news/view/661。

冰立方的規(guī)模龐大，和它相比，埃菲爾鐵塔就像一個(gè)袖珍玩具。冰立方的探測器安裝也很有意思，利用高壓熱水將冰層融化出一些管道，然后在這些管道內(nèi)安置上一串串的探測器，等水重新凍上后，探測器便被固定住。此外還有ANTARES中微子實(shí)驗(yàn)，利用地中海水作為探測介質(zhì)；還有搭載于氣球上的ANITA實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)上也是利用南極地下的冰層作為探測器；也有一些實(shí)驗(yàn)利用山體作為中微子探測介質(zhì)，如我國計(jì)劃在青海開展的GRAND實(shí)驗(yàn)。

中微子在冰中傳播時(shí)，有一定概率與冰發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生次級粒子。次級粒子速度超過冰中的光速時(shí)會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射，從而可以被冰立方的那一串串光電探測器探測到。這些在冰層中呈三維立體分布的探測器能夠探測到信號的不同拓?fù)湫螒B(tài)，包括級聯(lián)型（cascades）、徑跡型（tracks）和復(fù)合型（composites），對應(yīng)于不同“味道”的中微子。各種中微子事例的拓?fù)湫螒B(tài)如圖3所示。

圖3 上：電子中微子通常為級聯(lián)型事件，方向誤差相對較大；下：繆子中微子通常產(chǎn)生一條干凈的徑跡，方向可以定得很好；中：陶子中微子通常具有兩簇，稱為“雙響”（double bang）事件。顏色從紅到綠再到紫表示時(shí)間從早到晚 | 圖源：The IceCube Collaboration（2017ICRC會(huì)議文集）

通過光子信號的拓?fù)湫螒B(tài)及光子數(shù)目可以得到中微子的方向和能量。由于級聯(lián)型的光子信號是從中心向四周傳播的，很難重建得到準(zhǔn)確的中微子入射方向；而徑跡型信號是一條細(xì)長的光子軌跡，多為高能繆子中微子與冰發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生，重建得到的中微子入射方向很準(zhǔn)確，約0.5度（對于能量為100TeV的繆子中微子）。

高能天體物理中微子首次現(xiàn)身

2008年4月，冰立方天文臺(tái)完成了40串探測器安裝并開始采集數(shù)據(jù)。2011年5月，所有86串探測器全部建成。2013年，冰立方合作組報(bào)道了從數(shù)十TeV到數(shù)PeV能段的中微子能譜測量結(jié)果，首次發(fā)現(xiàn)超出大氣背景的天體物理起源的中微子成分，其置信度為4σ（也就是說只有約十萬分之六的可能性是來自大氣背景）。

圖4 冰立方探測到的中微子天圖（赤道坐標(biāo)系）。+表示級聯(lián)型事件，X表示繆子徑跡型事件 | 圖源：Aartsen et al. (2013).

冰立方的結(jié)果被認(rèn)為是革命性的。這是在高能區(qū)域首次看到了來自天體的中微子輻射，為我們觀察宇宙打開一扇新的天窗。迄今為止，冰立方探測器已經(jīng)記錄下超過一百例可能是天體物理起源的高能中微子。這些高能中微子在天空中的分布接近各向同性，很可能由來自河外宇宙中大量高能源的集體貢獻(xiàn)主導(dǎo)。

終于抓到它啦：TXS 0506+056！

冰立方于2013年首次報(bào)告了對天體物理起源的中微子成分的成功探測。從2016年開始，冰立方合作組開始通過一些公開平臺(tái)發(fā)布觀測結(jié)果實(shí)時(shí)警報(bào)，這樣全世界的科學(xué)家便可以用他們各自的觀測設(shè)備進(jìn)行快速跟蹤和協(xié)同觀測，尋找實(shí)時(shí)中微子事件可能的電磁對應(yīng)體。這個(gè)措施確實(shí)很快就收到成效。

2017年9月22日，冰立方合作組報(bào)告了一個(gè)實(shí)時(shí)高能中微子事件（能量約為290 TeV），被命名為IceCube-170922A（其信號的拓?fù)湫螒B(tài)如圖5）。隨即全球約20臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在多個(gè)波段對這一方向展開觀測，并且發(fā)現(xiàn)位于這個(gè)方向的一個(gè)耀變體活動(dòng)星系核，TXS 0506+056，在這個(gè)時(shí)間段恰好處于活躍狀態(tài)。從位置和時(shí)間分析來看，這個(gè)中微子事件有約99.97%（3σ）的可能性和TXS 0506+056的耀發(fā)關(guān)聯(lián)。雖然置信度還不算特別高，但冰立方的這個(gè)事件已經(jīng)足以引起天體物理領(lǐng)域所有人的興趣。這一成果也被《Science》雜志評為2018年度十大科學(xué)進(jìn)展之一。

圖5 IceCube 170922A信號分布圖。深藍(lán)色為最早觸發(fā)的信號，黃色為最晚的信號。紅色箭頭方向表示重建的中微子入射方向 | 圖源：引文The IceCube Collaboration et al.(2018).

冰立方團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步梳理了來自這個(gè)耀變體方向的所有數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在2014年9月至2015年3月之間還有一個(gè)中微子超出，相對于背景這個(gè)超出的置信度為3.5σ。這個(gè)置信度仍然不是特別高，但卻增強(qiáng)了人們對IceCube-170922A來自于TXS 0506+056的信心。

這一對耀變體與高能中微子源成協(xié)的發(fā)現(xiàn)很重要，不過也并不意外。耀變體是活動(dòng)星系核的一類，由星系中心的超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)形成，吸積產(chǎn)生噴流，而且噴流方向指向觀測者（圖6）。噴流形成的激波能夠加速宇宙射線，被加速的宇宙射線與背景光子或者物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)從而產(chǎn)生高能中微子和伽馬光子。

作為冰立方觀測到的置信度超過3σ的第一個(gè)中微子源，耀變體TXS 0506+056有什么特殊之處？首先，TXS 0506+056是Fermi衛(wèi)星觀測的活動(dòng)星系核星表中1700多個(gè)天體中最亮的50個(gè)天體之一，其輻射光度很大。另外，TXS 0506+056的赤緯為+5.7度，位于北天，接近冰立方所在地的地平面方向，而冰立方對來自北天尤其是接近地平面方向的中微子最為靈敏。所以，冰立方率先探測到來自TXS 0506+056的中微子也很自然。

圖6 耀變體輻射高能中微子和伽馬射線的藝術(shù)圖片 | 圖源：https://www.km3net.org/km3net-congratulates-icecube/。Credit：IceCube/NASA.

但這個(gè)事情仍然有讓人覺得費(fèi)解之處。

TXS 0506+056雖然是最亮的50個(gè)耀變體之一，然而畢竟還談不上最亮，那么別的耀變體更亮的耀發(fā)發(fā)生時(shí)為什么沒有看到中微子？

還有通過分析Fermi的伽馬射線數(shù)據(jù)，人們發(fā)現(xiàn)TXS 0506+056在2014年那次中微子超出期間伽馬射線卻非常平靜。而我們知道中微子和伽馬射線通常是伴隨產(chǎn)生的，什么原因使得中微子超出被觀測到而伽馬射線未被觀測到？

這些問題仍然有待進(jìn)一步研究。其中一種可能性為宇宙射線加速器被致密介質(zhì)環(huán)繞，導(dǎo)致光子被吸收，而中微子可以穿透介質(zhì)傳播至地球。因此，高能中微子最亮源可能與伽馬射線最亮源并不相同。

還有別的源嗎？

最近，冰立方合作組利用10年數(shù)據(jù)搜尋可能的中微子超出。一方面對全天進(jìn)行盲搜，可以避免局限于伽馬射線觀測的限制。另一方面，冰立方合作組也對伽馬射線源表中源對應(yīng)的方位進(jìn)行分析。采用伽馬射線源表分析的好處是，已知候選源的位置，可以提高搜尋中微子源的靈敏度。冰立方的研究發(fā)現(xiàn)來自一個(gè)塞弗特Ⅱ型星系NGC 1068方向的中微子事例存在置信度約2.9σ的超出（圖7）。

圖7 北天中微子超出的顯著度分布天圖。黑×是NGC 1068的位置 | 圖源：Aartsen et al.(2020)。

NGC 1068又名為Messier 77，是Fermi觀測到的最明亮的塞弗特Ⅱ型星系，也是一種活動(dòng)星系核。NGC 1068星系同時(shí)也具有很高的恒星形成率，是一個(gè)星暴星系。星系中心的活動(dòng)星系核噴流、星系中產(chǎn)生的超新星或者超級泡均有可能加速宇宙射線，從而也可能輻射中微子。

除了NGC 1068，北天區(qū)還有3個(gè)“熱點(diǎn)”具有較弱的中微子超出，它們是前面提到過的TXS 0506+056（這里因忽略了中微子的時(shí)間成團(tuán)性，使得中微子超出的顯著度比前文得到的顯著度降低了），以及蝎虎BL星系（BL Lacs）PKS 1424+240和GB6 J542+6129。南天區(qū)最顯著的超出方向和耀變體PKS 2233-148相符，超出的置信度也不高（驗(yàn)后p值為0.55，與純背景的假設(shè)相符）。

除此之外，冰立方合作組還開展了一些其他疊加搜尋，比如將某一類別的源全部疊加在一起來看是否有明顯的信號，這在單個(gè)源流量均較弱時(shí)可能會(huì)更有效。不過這一疊加搜尋目前仍然沒有觀測到置信度超過1σ的信號。

總結(jié)與展望：未來可期

2013年，冰立方天文臺(tái)首次報(bào)道了天體物理中微子成分的發(fā)現(xiàn)。

2017年，冰立方天文臺(tái)首次發(fā)現(xiàn)了實(shí)時(shí)中微子事件IceCube-170922A與耀變體TXS 0506+056伽馬射線耀發(fā)的顯著度為3σ的成協(xié)，從而進(jìn)一步從海量的歷史數(shù)據(jù)中找到了顯著度為3.5σ的時(shí)間依賴的中微子超出。

2020年，冰立方團(tuán)組又發(fā)表了研究工作，利用10年觀測數(shù)據(jù)搜尋到北天的顯著度為2.9σ的中微子候選源塞弗特2型星系NGC 1068。盡管冰立方天文臺(tái)采用10年數(shù)據(jù)搜索中微子點(diǎn)源并未找到顯著度超過3σ的中微子超出，冰立方的結(jié)果仍然是鼓舞人心的。

冰立方天文臺(tái)為高能中微子天文學(xué)打開了一扇天窗。未來更多中微子源的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合多信使觀測的研究，不僅能夠幫助我們理解宇宙射線起源及其加速機(jī)制、物理環(huán)境等，還可以研究宇宙學(xué)、探索新物理。中微子研究已經(jīng)成為當(dāng)今物理學(xué)和天文學(xué)交叉領(lǐng)域的重要課題。

目前冰立方合作組已經(jīng)開始計(jì)劃升級其探測器，這個(gè)名為冰立方二代的探測器將增大約10倍的探測體積，改善角度測量精度，預(yù)期可以探測到更多的中微子源。

在北半球的地中海里，人們也正在建設(shè)一個(gè)名為KM3Net的實(shí)驗(yàn)，其規(guī)模比冰立方更大（可達(dá)幾立方公里），而且對南天區(qū)的源更加敏感。我國的上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)參與了冰立方的國際合作，而中山大學(xué)也與KM3NeT合作組簽訂了諒解備忘錄。另外，中法合作計(jì)劃在青海冷湖開展GRAND中微子實(shí)驗(yàn)。

我們相信，在中微子天文學(xué)的盛宴即將開啟之時(shí)，中國也必將不會(huì)缺席。

作者簡介

賀昊寧，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員。研究方向：高能中微子、高能光子及極高能宇宙射線起源的多信使研究。

袁強(qiáng)，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員。研究方向：高能天體物理、暗物質(zhì)間接探測、宇宙線物理。

撰稿：賀昊寧、袁強(qiáng)

輪值主編：王英

編輯：王科超、高娜