高能微中子源自我們自己的星系

  • Physics Today 專文
  • 撰文者:原文:Alex Lopatka 譯文:張鳳吟
  • 發文日期:2024-02-17
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封面圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/Fil ... ay_Be_a_Neutrino_Factory_(19057084225).jpg

高能宇宙射線長期以來被懷疑與緻密銀河面的物質作用,幾乎可以肯定為銀河系微中子的來源。

在宇宙中觀察到最少交互作用的粒子是微中子(neutrinos),它們的電中性使它們不受電磁場的影響,而色荷的缺乏也意味著它們不參與強作用力。它們受弱作用力的影響,但是只在大約一個質子直徑的極短範圍內。憑藉這些特性,微中子可穿過一般物質而幾乎不被偵測到——每一秒就有一兆個來自太陽的微中子通過你的手。

由於缺乏交互作用,微中子成為不同天文物理過程資訊之理想信使(例如,參閱Physics Today 2021年4月8日的線上文章 “The elusive Glashow resonance was observed deep within Antarctic ice,”,以及Francis Halzen與Spencer Klein於Physics Today 的文章,2008年5月號第29頁),由於微中子並不怎麼和其它物質作用,有關它們的偵測可用來追蹤它們來源的方向,並重建產生它們的事件。

到目前為止,看到的大多數天文物理微中子都來自我們銀河系外的某處,但現在「冰立方」(IceCube)合作團隊識別出銀河系中的高能微中子通量,其主要來自銀河面(galactic plane)[1]。這個發現進一步證實了先前關於宇宙射線來源的理論假設,也展示如何利用多信使天文學――微中子測量、伽瑪射線發射與其它輻射等――更佳地探究我們自己的星系。

混亂路徑
宇宙射線是太空中移動的高能粒子,其能量範圍大致在幾GeV到幾PeV之間,儘管大多數粒子的能量處於這個範圍的底部。它們不斷撞擊地球大氣,造成一些晶片等級的誤差而改變電子設備記憶體單元的值。在保護地球的大氣層與磁場以外的區域,高游離輻射對太空人造成危險的急性與慢性的健康風險。

即使太空科技進步到能將人們快速、可靠地帶往火星及更遠的地方,如果太空船缺乏抗輻射的屏蔽,宇宙射線會限制人類在太空中能夠旅行的時間及距離(參閱Physics Today 2020年3月號第66頁,Larry Townsend 所寫的Quick Study)。

儘管宇宙射線已被發現超過100年,依然是非常神秘,天文學家知道一些GeV的宇宙射線來自太陽的日冕物質拋射(coronal mass ejections)及其它噴發,但高能通量(flux)來源之理論假設――超大質量黑洞(supermassive black holes)、活躍星系核(active galactic nuclei)、超新星等等――很難得到具高統計確定性的評估,因為宇宙射線行經太空時的遭遇。

高能宇宙射線在飛往地球的途中,經常會遇到強的星系磁場打亂它們的軌跡,以致無法確定它們的來源。有些宇宙射線會與氣體星際介質交互作用,產生較容易追蹤其軌跡的粒子,這些作用產生帶電與電中性的π介子,電中性π介子很快衰變,最常見的是產生伽瑪射線。雖然伽瑪射線發射的觀測會給出宇宙射線來源的線索,但這個證據並不具決定性,因為伽瑪射線光子容易被星際介質中的其它物質吸收。來源問題的一個解決方法是宇宙射線作用的另一種產物:帶電π介子,它會產生微中子[2]

在冰層下
大部分銀河系中的可見物質位於銀河面與星際空間中,氫原子核以每立方公分一個的平均密度散布。當宇宙射線與星際的氫交互作用時,會產生伽瑪射線,它們已被NASA費米伽瑪射線太空望遠鏡上的大面積望遠鏡(Large Area Telescope,LAT)觀測到。而這個宇宙射線作用也會產生微中子。根據微中子通量的估算,假使大氣雜訊降到最低,微中子最容易在地球南方的天空被看見。南極洲的Amundsen–Scott南極站會成為冰立方微中子天文台(IceCube Neutrino Observatory)的所在地,這是一部分原因。

這個偵測器是個一立方公里大小的冰層,裝有超過5000個球形光學感測器,懸掛在鑽探達2500公尺深的電纜上。大部分的微中子通過偵測器範圍不會發生作用,但當有一個撞上水分子,便會產生緲子及其它帶電粒子,假如它們其中任何一個能量夠大,行進速度超過冰中的光速,就會放射出藍色的契倫柯夫輻射(Cherenkov radiation),如圖1中所繪(這效應類似超音速飛機飛行比聲速時所聽到的音爆)。

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圖1、契倫柯夫輻射(Cherenkov radiation)。穿過地球大氣層的高能量微中子有時會到達南極洲的冰立方微中子天文台(IceCube Neutrino Observatory)並與結凍水分子的原子核碰撞,這個碰撞產生帶電粒子,假如能量夠大的話,粒子的行進速度會超過冰裡的光速,產生藍色的契倫柯夫輻射。在這藝術家繪圖中,位於前景的光學感測器與背景幾十個感測器,只是懸掛在冰層中鑽探2500公尺深的電纜上數千個感測器的其中一小部分,透過測量輻射及其軌跡,研究人員可評估微中子到達的方向與它的強度(圖片提供:IceCube團隊)。

透過測量光學感測器所接收到的契倫柯夫輻射與藍光的空間分佈(pattern),研究人員可推斷粒子的能量以及它抵達的方向。然而,其中一個最大挑戰是,宇宙射線會在地球大氣產生大量的微中子與緲子,冰立方偵測器必須測量一億個大氣緲子才能觀測到一個天文物理微中子(astrophysical neutrino),為了濾掉天文物理微中子訊號中巨大的背景雜訊,冰立方合作團隊開發出一個事件選擇(event-seletion)的協定(protocol)。冰立方所測量的微中子訊號可分類為:「足跡事件」(track event),其中微中子產生緲子,然後在通過冰層時留下高能量的足跡;或是「級聯事件」(cascade event),微中子在單一位置釋放出大部分或全部的能量。許多大氣微中子在冰立方偵測器留下足跡事件,因此只選擇級聯事件會大大降低背景雜訊。

這個方法的計算成本很高,許多微中子事件需要被排除,包括在特定偵測器區域(其已知會目擊到許多大氣緲子以及能量接近大氣微中子的微中子)所發現的事件。這排除過程為冰立方合作團隊帶來高品質的數據集,已用於先前的分析——例如,在2013年團隊發現一個銀河系外的微中子源[3]。然而,這個數據集太小,無法以高的統計信賴區間得到關於銀河系微中子發射的結論。

深度學習
為了更佳地分析IceCube至今所收集的10年數據,合作團隊發展出一個混合式人工智慧的技術,由德國多特蒙德工業大學(Technical University Dortmund)的Mirco Hünnefeld與美國賓州卓克索大學(Drexel University)的Steve Sclafani帶領[4]。這個技術的第一部份利用深度學習神經網路(deep-learning neural network)來辨識級聯微中子事件。神經網路能夠快速地處理這些數據,節省下來的時間讓數據集能涵蓋更多事件,包括在能量範圍底部的,相較於早期的分析,神經網路也將入射微中子方向的角解析度提高2倍。

技術的第二部份利用偵測器所收集的光分佈來重建微中子的方向與能量。之前的重建方法是基於高計算成本的蒙地卡羅模擬,神經網路將這些模擬做更有效率的近似,60000個微中子事件的新數據集是之前數據集的20倍大。冰立方合作團隊的成員,理論物理學家Francis Halzen表示:「回頭去看,新的機器學習技術使得這樣的分析顯得很容易,特別是考慮到過去十年我們在觀測銀河系上的努力並不成功。」

透過這些改良,合作團隊發現了一個來自銀河面的瀰漫(diffuse)高能微中子的訊號。圖2為一般透過電波、可見光與伽瑪射線所看到的銀河系,這三個波長範圍顯示一個清晰、明亮的銀河中心,而兩側為較分散的薄平面。銀河系的微中子訊號約為30 TeV總通量的10%,雖然不是馬上很清楚,但這訊號與伽瑪射線的發射一致。事實上,IceCube合作團隊發現微中子訊號為背景雜訊隨機引發的機率只有十萬分之一,或統計信賴區間為4.5個標準差。

upload_ac8fbfdb94bf48be5240d702f41f5ae4.png圖2、微中子景象。多年來,天文學家透過電波、可見光與伽瑪射線發射來觀看我們的銀河系,以所有三個波長拍攝的影像清楚地顯示銀河系的中心與周圍平面。在仔細分析冰立方微中子天文台的10年數據後,國際合作團隊發現銀河系是微中子的來源,這裡顯示通過銀河系的瀰漫微中子訊號,在統計上與伽瑪射線發射一致(圖片提供:IceCube Collaboration)。

到目前為止,銀河系的微中子圖顯示了當宇宙射線與星際氣體作用時產生的發射擴散模式,但微中子可能來自宇宙射線的銀河系點狀來源。為了弄清楚這個問題,團隊將需要審視更多的數據。而類似於大氣背景蓋過天文物理訊號的情形,我們懷疑的點源微中子訊號也可能被圖2中瀰漫微中子訊號所遮蔽。

天文學家對於銀河系宇宙射線的來源已有一些想法,由這個概念延伸,微中子可能是由超大質量黑洞所產生(參閱Physics Today,2022年8月號第14頁),但在我們銀河系中心的超大質量黑洞,活躍度並不足以產生這樣高能量的粒子。

微中子也可能源自活躍星系核(參閱Physics Today 線上文章” IceCube pinpoints an extragalactic neutrino source”,2018年7月12日),有一些已在銀河系外的超新星被發現到(參閱Physics Today 2018年7月12日的線上文章,A supernova for the ages, 30 years later)。Halzen表示,在銀河系中,「找出微中子來源是我們下一個優先事項,這是我們正在努力的方向。」

REFERENCES
1. IceCube Collaboration, Science 380, 1338(2023)
2. M. Ackermann et al, Astrophys. J. 750, 3(2012).
3. IceCube Collaboration, Science 342, 947(2013).
4. M. Hünnefeld (on behalf of the IceCube Collaboration), Proc. Sci.(2017)

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Jun. 2023雜誌內 (Physics Today 76 (9), 13–15 (2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5303)。原文作者:Alex Lopatka。中文編譯:張鳳吟,國立陽明交通大學物理學系博士。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Alex Lopatka and was published in (Physics Today 76 (9), 13–15 (2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5303). The article in Mandarin is translated and edited by F. Y, Chang, National Yang Ming Chiao Tung University.