幽靈般的宇宙信使

中微子是一種幾乎沒(méi)有質(zhì)量、難以捉摸的 " 幽靈粒子 "，它們能夠毫不費(fèi)力地穿過(guò)幾乎任何物質(zhì)，不會(huì)減速或者改變方向，不受阻礙地進(jìn)行超長(zhǎng)距離的旅行。正因如此，這些攜帶著有關(guān)它們來(lái)源信息的粒子，其實(shí)扮演著宇宙 " 信使 " 的角色。

這些幽靈般的宇宙信使無(wú)處不在，每秒鐘，大約有 100 萬(wàn)億個(gè)中微子正穿過(guò)你的身體。盡管地球周?chē)拇蠖鄶?shù)中微子都來(lái)自太陽(yáng)，但還有一些是來(lái)自最遙遠(yuǎn)外太空的高能天體物理中微子（astrophysical neutrino）。

這類中微子可能來(lái)自距離地球數(shù)十億光年之遠(yuǎn)的 " 宇宙加速器 "，比如熾熱的耀變體等天體，但它們的確切來(lái)源仍不清楚。

南極冰層之下的中微子探測(cè)器

但反過(guò)來(lái)說(shuō)，中微子神秘的特性也讓它們很難被常規(guī)探測(cè)器捕捉到。目前，最著名的中微子望遠(yuǎn)鏡之一是冰立方中微子天文臺(tái)（IceCube），它已經(jīng)在南極運(yùn)行了十年。

這個(gè)天文臺(tái)由成千上萬(wàn)個(gè)傳感器組成，深埋在南極冰層之下約 2.5 千米的地方，大約相當(dāng)于 28 個(gè)足球場(chǎng)的長(zhǎng)度，它們?cè)谀抢锊蹲絹?lái)自時(shí)空邊緣的爆發(fā)性事件產(chǎn)生的高能中微子。

冰立方中微子天文臺(tái)。（圖／冰立方）

2013 年，冰立方首次觀測(cè)到了源自宇宙加速器的高能天體物理中微子的證據(jù)。這些宇宙信使提供了對(duì)它們來(lái)源的深入了解。由于這些中微子在真空中旅行了數(shù)十億光年，它們也可以作為量子引力（也就是引力、力與時(shí)空的統(tǒng)一）的一種衡量指標(biāo)，找出時(shí)空結(jié)構(gòu)可能在它們身上留下的線索。

近日，冰立方合作組公布了量子引力對(duì)天體物理中微子味的影響的搜索結(jié)果。盡管這項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)量子引力效應(yīng)的證據(jù)，但它仍然代表了對(duì)宇宙中未知領(lǐng)域前所未有的驚鴻一瞥，這是第一次利用中微子味干涉測(cè)量法觸及了量子引力的預(yù)期信號(hào)區(qū)域。研究已發(fā)表在《自然 · 物理》上。

長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的搜索

自古以來(lái)，空間和時(shí)間的本質(zhì)就令思想家們困惑。這個(gè)曾讓古希臘哲學(xué)家冥思苦想的問(wèn)題，后來(lái)被愛(ài)因斯坦合并為時(shí)空的概念。

過(guò)去，科學(xué)家可以借助干涉測(cè)量，來(lái)探測(cè)真空的內(nèi)容。一百多年后的今天，研究人員也可以利用中微子干涉，來(lái)尋找真空中新的、意想不到的內(nèi)容的特征。

中微子有三種不同的味，分別被稱為電子中微子、μ 中微子和τ 中微子。當(dāng)天體物理中微子從遙遠(yuǎn)的源穿越而來(lái)時(shí)，由于量子干涉，它們會(huì)發(fā)生振蕩，轉(zhuǎn)換成另一種味。

由于這些中微子對(duì)真空中的微小缺陷都很敏感，長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直猜想，這些擾動(dòng)應(yīng)該可被用來(lái)探索時(shí)空結(jié)構(gòu)，并成為打開(kāi)未知領(lǐng)域的一扇窗戶。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，中微子干涉改變了在冰立方觀測(cè)到的不同味的比例。這種比例正是 " 新物理 " 最有力的探針之一，因?yàn)樗跇?biāo)準(zhǔn)模型的背景下存在一種既定的預(yù)期，這樣一來(lái)，就可以從與既定預(yù)期的偏差中，剝離出新的線索。

高能天體物理中微子是從遙遠(yuǎn)的高能源發(fā)射出來(lái)的（用長(zhǎng)箭頭表示）。中微子的傳播可能受到時(shí)空缺陷的影響，它可以被看作是真空中的一個(gè)方向（紅色箭頭）。這個(gè)場(chǎng)的作用是改變天體物理學(xué)中微子的味的組成（變色的長(zhǎng)箭頭）。（圖／冰立方合作組）

為了進(jìn)行這項(xiàng)搜索，研究人員使用了冰立方 7.5 年的高能啟動(dòng)事件（HESE），其中囊括了冰立方所觀測(cè)到的一些最高的天體物理中微子。

團(tuán)隊(duì)在模擬中生成了天體物理中微子味的模型來(lái)囊括量子引力的效應(yīng)。這個(gè)模擬用到了標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展，這是一個(gè)理論框架，它以一致的方式描述了所有可能的新時(shí)空效應(yīng)。

他們借助一個(gè)貝葉斯框架，將測(cè)量到的中微子的味，與傳播過(guò)程中量子干涉造成的預(yù)期結(jié)果進(jìn)行了比較。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究在冰立方的數(shù)據(jù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可能暗示量子引力效應(yīng)的異常的味轉(zhuǎn)換的證據(jù)。

迭代和發(fā)展

盡管這些結(jié)果難免有些令人失望，但研究人員還是設(shè)法將已知技術(shù)中最嚴(yán)格的限制放在了對(duì)時(shí)空缺陷參數(shù)化的六維算子上。用科學(xué)家的話說(shuō)，冰立方能夠 " 明確地達(dá)到量子引力驅(qū)動(dòng)的物理學(xué)的參數(shù)空間 "，換句話說(shuō)，這些結(jié)果為量子引力的理論領(lǐng)域開(kāi)辟了一條新的道路，它也有機(jī)會(huì)對(duì)各領(lǐng)域的科學(xué)家產(chǎn)生各種應(yīng)用。

比目前冰立方陣列大 10 倍的下一代中微子望遠(yuǎn)鏡冰立方二代（IceCube-Gen2）即將問(wèn)世?？茖W(xué)家相信，隨著數(shù)據(jù)采集的加強(qiáng)，分析還會(huì)得到進(jìn)一步提高。

也有研究人員認(rèn)為，機(jī)會(huì)仍然存在。這項(xiàng)分析是這種類型的第一次迭代，還可以通過(guò)開(kāi)發(fā)更好的算法，來(lái)測(cè)量天體物理中微子的味，從而改進(jìn)分析。這些改進(jìn)的結(jié)合將推動(dòng)這類分析朝著發(fā)現(xiàn)量子引力的方向不斷發(fā)展。