物理学家揭示神秘的IceCube事件可能是Tau Neutrino

该p显示了各种中微子通量作为中微子能量的函数。中微子能量以GeV（1 GeV = 10亿eV）表示。此处还显示了来自其他实验的IceCube数据点和天体中微子通量的上限。©: 马修·基斯勒（Matthew D.Kistler）和拉詹·拉哈（Ranjan Laha）

理论物理学家计算了IceCube中微子观测所捕获的高能粒子轨道的起源

仅在八年前，IceCube探测器（位于南极的一个研究中心）就投入使用，该中心用于探测从宇宙中发出的中微子。三年后，它开始记录第一个重大成果。IceCube对高能中微子的检测为解释我们的宇宙如何工作提供了全新的可行选择。约翰内斯·古腾堡大学美因茨分校的Ranjan Laha博士解释说：“这些中微子具有相当大的能量，是我们从未遇到过的宇宙信使，我们必须准确了解它们在告诉我们什么，这一点极为重要。”这位位于美因茨的物理学家与美国斯坦福大学的一位同事合作，对这种星际信息载体可能是什么提出了新的假设。两位物理学家计算得出，已经探测到的可能是穿过IceCube检测器的高能tau粒子的轨迹。

中微子是仅具有很小质量或没有质量的颗粒，使它们几乎可以不被察觉地穿过物质，并使它们极难被发现。但是出于同样的原因，这些难以捉摸的粒子对科学尤为重要，因为它们起源于几乎不受阻碍地到达地球的最深处的爆炸恒星和其他高能天体物理现象，这使我们能够洞悉正在发生的事情在那里。对于IceCube中微子天文台，单个探测元件被埋在南极冰中，并分布在立方公里的冰量中，在这里它们受到了良好的屏蔽，不受可能的干扰因素的影响。该项目小组报告说，2013年首次从太空中发现了高能中微子。从那时起，已经注册了许多相关事件。负责科学计划的IceCube小组由来自12个国家/地区的49个机构的300位物理学家组成，成员包括来自JGU的研究人员。

随着tau进入IceCube，tau能量的变化与持续产生的谱线有关。垂直带代表将2.6 PeV沉积在IceCube中所需的tau粒子的能量。©: 马修·D·基斯勒和兰詹·拉哈

介子中微子可能不会产生高能轨道

斯坦福大学的Matthew Kistler和美因茨大学的Ranjan Laha分析了各种事件，它们的目的是试图解释一个特定的谜团：2014年6月，IceCube传感器检测到能量异常高的粒子。计算表明该粒子沉积了2.6皮电子伏特（PeV），换言之，沉积了2.6万亿电子伏特。相比之下，世界最大的粒子加速器CERN的大型强子对撞机（LHC）中的质子发生碰撞时，其能量仅为13万亿电子伏特。

拉哈说：“ 2014年6月注册的赛道引发了各种各样的问题，”他指出这是迄今为止记录的最大的高能赛事。“首要的问题是什么样的中微子会留下这样的轨迹。”中微子有三种类型：电子，介子和tau中微子。

为了寻找答案，两位物理学家首先根据标准假设，即轨道是由介子产生的，来进行研究的。与原子核碰撞后，μ子中微子将被转换为μ子，因此将被IceCube探测器的光学传感器捕获。“但是，我们已经证明了这一假设是受约束的，”拉哈解释说。取而代之的是，两位研究人员提出了对该事件的全新的，非常规的解释：轨道可能是高能量的牛头蛋白轻子。为了由探测器以2.6 PeV的能量记录，假定的tau中微子的初始能量必须至少为50 PeV。拉哈补充说：“能够通过长度为一公里的探测器而不会衰减并且还释放2.6 PeV能量的tau粒子必须源自具有显着更大能量的中微子。”“假设是这种情况，这将带来完全出乎意料的可能性，即天体物理学应该开始寻找能量高达100 PeV的中微子。”

两位研究人员还得出结论，认为2.6 PeV事件可能是由天文学家以前未知的中微子谱的一个成分引起的。通常，IceCube记录的事件具有一定的连续性。但是，迄今为止捕获到的最高能量的上述事件与其他已注册数据之间的差距异常大。

“我们仍然不太清楚是什么原因造成了2.6 PeV航迹。通常认为它是过渡的介子。我们证明，也有可能成为过渡的tau粒子。” Laha总结说。“我们认为这一事件非常重要，因此我们认为应该对其进行更仔细的研究。而且我们需要更多的数据，以便能够发现更多并解码宇宙发送给我们的消息。”

Ranjan Laha是博士后研究员，也是基于美因兹的精密物理，基本相互作用和物质结构（PRISMA）卓越集群理论粒子物理学教授Joachim Kopp教授的工作组成员。

出版物：Matthew D. Kistler和Ranjan Laha，“超越Glashow共振的天体新中微子通量产生的多PeV信号”，《物理评论快报》，2018年； doi：10.1103 / PhysRevLett.120.241105