科學家採用新算法揭開幽靈粒子的神秘面紗

科學家們已經知道地球不斷受到宇宙射線的轟炸,這些帶電粒子擁有驚人的能量,遠超過我們目前的加速器所能產生的能量。然而,宇宙射線的來源一直隱藏在迷霧中,因為在它們穿越太空的過程中,磁場使其發生彎曲和散射。然而,中微子提供了一個繞過這一障礙的方法。這些幽靈般的粒子與物質的互動非常罕見,並且能夠從其來源以直線飛行。如果能夠追蹤中微子的來源,將能最終揭開宇宙射線的來源。在南極,冰立方中微子觀測站(IceCube Neutrino Observatory)是一個埋在冰下的巨大探測器,旨在完成這一任務。

中微子被認為是尋找宇宙輻射來源的理想候選者,因為它們從來源到地球的路徑幾乎是直接的。魯爾大學波鴻(Ruhr University Bochum, RUB)團隊指出,研究人員已經創建了一種新的算法,使得冰立方能夠以更快和更準確的方式定位中微子。冰立方觀測中微子與南極冰中的原子碰撞的罕見瞬間,這一碰撞會產生藍光閃光。透過比較這些閃光的時間和亮度,科學家們能夠重建中微子的路徑,並確定其來自天空的哪個位置。

然而,直到現在,這些重建相對粗略,讓天文學家面對廣闊的天空區域進行搜尋,這些區域太大,無法可靠地捕捉到過往的宇宙閃光。魯爾大學的研究人員改進了冰立方的分析流程,他們的系統現在能在約 30 秒內發出初步重建,立即提供中微子的方向和能量的快速估算,並將這些信息傳送給全球的望遠鏡。研究人員安娜·弗朗科維亞克(Anna Franckowiak)表示:「我們需要 30 秒來計算中微子的能量和方向,並立即向全世界傳播這些信息。」

隨後,系統會進行更慢但更詳細的計算,以更高的精度來優化路徑。根據中微子在冰中留下的能量,系統在兩種數學方法之間切換。對於低能事件,一種名為 SplineMPE 的方法提供了精確的天空位置,而對於高能軌跡,另一種名為 Millipede Wilks 的方法則更好地處理複雜和不規則的能量損失。這種混合策略確保天文學家能為每個事件獲得最佳的重建結果。因此,基於新的系統,對於 50% 置信區域(即中微子可能來自的天空區域),認為中微子來源的天空區域現在縮小了約 5 倍,而對於 90% 區域則縮小了約 4 倍。

團隊不僅專注於新的探測,還重新分析了冰立方超過十年的存檔警報,使用相同的改進方法,創建了一個更乾淨和可靠的目錄。這一過程顯示了精確度的重要性。例如,一些早期的關聯,如中微子與潮汐擾動事件(TDE)的聯繫在重新計算後消失了,這是黑洞撕裂經過的恆星。弗朗科維亞克表示:「在我們改進了路徑重建的算法後,我們再次分析了事件,中微子的路徑與潮汐擾動事件的發生位置不符。」

同時,重新分析還發現了一個顯著的新線索。兩個中微子,每個攜帶約 100 兆電子伏特的能量,都與來自同一來源 NGC 7469 的可能性一致,這是一個距離約 2.2 億光年的活躍星系。研究人員在他們的研究中指出:「我們估計根據不同假設 NGC 7469 可能的中微子通量。這一結果留下了可能性,即這兩個中微子中的一個或兩個都來自該來源。」這種巧合引人入勝,然而並不具結論性。其他分析表明,信號的強度取決於使用的重建值,因此目前這一發現仍然是有希望但未經證實的線索。

能夠以這種速度和精度追蹤中微子,對於高能天文學而言是一個轉折點。天文學家們首次能夠在檢測到中微子後幾乎立即做出反應,將望遠鏡指向天空中的正確位置,趕在閃光消失之前。如果從同一對象(無論是像 NGC 7469 這樣的活躍星系、恆星形成區域或其他異域來源)確認重複檢測,將最終揭示宇宙射線的長期尋找的發源地。如此發現不僅會解決一個世紀以來的謎題,還將擴展我們對黑洞和爆炸恆星的理解。這項研究在三篇論文中進行了詳細探討,讀者可進一步查閱。


Henderson
Henderson 主要擔任「炒稿記者」的職責,以翻譯最新科技,手機 電動車等消息為每天的工作。