IceCube确定了七个天体物理学tau中微子候选者

位于南极的立方千米大小的中微子望远镜冰立方中微子观测站观测到了一种新型天体物理信使。最近一项新研究被《物理评论快报》杂志接受作为编辑建议发表，并可在arXiv预印本服务器上获取，其中包括宾夕法尼亚州立大学研究人员在内的IceCube合作团队展示了七个曾经难以捉摸的天体物理学tau中微子的发现。

中微子是微小的、弱相互作用的亚原子粒子，可以不受干扰地传播天文距离。因此，它们可以追溯到它们的来源，揭示它们的宇宙起源之谜。源自银河系最远距离的高能中微子被称为天体物理中微子。这些宇宙信使有三种不同的形式：电子、μ子和τ子，其中天体物理学中的τ子中微子极其难以确定。

宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院物理学、天文学和天体物理学教授道格·考恩(DougCowen)表示：“2013年，IceCube首次提出了来自宇宙加速器的高能天体物理中微子的证据，开启了天文学的新时代。”该研究的领导者之一。“这一令人兴奋的新发现带来了利用tau中微子发现新物理学的有趣可能性。”

IceCube使用数字光学模块(DOM)串检测中微子，总共5,160个DOM嵌入南极冰层深处。当中微子与冰中的原子核相互作用时，会产生带电粒子，这些粒子在穿过冰时会发出蓝光，并由各个DOM记录和数字化。光线会产生独特的图案。其中一种模式称为双级联事件，表明探测器内存在高能tau中微子相互作用。

之前的IceCube分析发现了天体物理学中的tau中微子产生的这些微妙特征的迹象，因此研究人员仍然有动力去查明这些难以捉摸的粒子。研究人员将每个潜在tau中微子事件的数据渲染成图像，然后在图像上训练卷积神经网络(CNN)，这是一种针对图像分类而优化的机器学习算法。

这使得研究人员能够将tau中微子产生的图像与各种背景产生的图像区分开来。在运行模拟确认其对tau中微子的敏感性后，该技术随后应用于2011年至2020年间获取的10年IceCube数据。结果是七个强有力的候选tau中微子事件。

考恩说：“在数据中检测到七个候选tau中微子事件，再加上预期背景量非常低，使我们可以断言背景极不可能合谋产生七个tau中微子冒名顶替者。”“由于观测到的能量中的tau中微子只能由天体物理源产生，因此它们的探测也有力地证实了IceCube早期发现的天体物理中微子通量。”

Cowen补充说，背景模仿信号的概率估计小于350万分之一，相当于大于5西格玛的显着性，被认为是物理学新发现的统计黄金标准。

未来的分析将纳入更多IceCube的弦，因为这项研究仅使用了三个最明亮的弦。这样的新分析将增加tau中微子的样本，然后可用于对中微子在宇宙距离上改变味道(称为中微子振荡)的现象进行第一个三味研究。研究人员表示，此类研究可以解决诸如天体物理来源产生中微子的机制以及中微子穿过的空间本身的特性等问题。

目前，还没有专门设计的工具来确定产生本分析中看到的特征的tau中微子的能量和方向。这种算法可以实时使用，以更好地区分潜在的tau中微子信号与背景，并帮助识别南极的候选tau中微子。与目前IceCube针对其他中微子类型发出的实时警报类似，针对tau中微子的警报可以向天文学界发出后续研究。

IceCube合作组织由来自14个国家59个机构的约300名物理学家组成。除了考恩之外，这项研究的作者还包括宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授德里克·福克斯(DerekFox);博士后研究员AaronT.Fienberg、KaylaLeonardDeHolton和JanWeldert;和研究生DariaV.Pankova。