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科学家们第一次看到了来自银河系中央圆盘的中微子。

中微子是一种微小的、非常奇怪的粒子，它可以穿过物质而不会产生任何涟漪。由于缺乏相互作用，它们很难被探测到，但也有望揭示宇宙的新秘密。特别是，银河系的中微子可能会帮助科学家了解被称为宇宙射线的高能粒子的起源，宇宙射线启动了中微子的形成。德雷塞尔大学(Drexel University)的物理学家Naoko Kurahashi Neilson说，由于中微子是电磁波谱之外的粒子，它们就像一个新的不依赖于光的透镜，通过它可以研究星系的结构。正是他提出了让研究人员得以发现这一发现的新方法。

Kurahashi Neilson说:“现在我们第一次看到了我们的星系在光之外的其他东西中。”该团队今天在《科学》杂志上报告了他们的发现。

当构成大多数宇宙射线的高能辐射与物质相互作用，产生称为介子的带电粒子时，中微子就会形成。介子在衰变时产生中微子。人们认为，这一过程在物质密集、沐浴着宇宙射线的银河系圆盘中不断地产生中微子。像所有的中微子一样，那些被认为是从银河系圆盘中出现的中微子是如此的虚无缥缈，就像幽灵一样:它们带有中性电荷，质量如此之小，以至于科学家们仍然不知道这些粒子的确切重量，它们几乎不与物质或电磁场相互作用，即使它们以接近光速的速度在宇宙中长距离传播。这种相互作用的缺乏使得研究中微子成为研究产生中微子的宇宙射线的一种很有希望的方法。许多宇宙射线实际上是极高能量的光子——伽马射线——当它们在太空中穿行时，可以被星际或星系间物质吸收。相比之下，中微子就像一个自身形成的时间胶囊，在随后的旅行中几乎没有留下任何印记，但希望能有一些残留的证据来启发科学家寻找宇宙射线最深层的天体物理起源——这仍然是未知的。

这就是冰立方实验的由来。在过去的10年里，在南极冰层上钻孔的一系列小型光传感器一直在探测穿过地球的中微子。冰立方是由这些传感器组成的一个真正的立方体，每边一公里长，沉入1.5到2.5公里深的冰中。在这种半透明的介质中，传感器捕捉到所谓的切伦科夫辐射的微小闪光，这种辐射是当一种罕见的中微子撞击冰并产生二次粒子阵雨时形成的。英国谢菲尔德大学的物理学家Anthony Ezeribe说，物理学家也可以在地球上的粒子加速器中制造中微子来为他们的研究提供信息，他没有参与这篇新论文。然而，一些来自太空的中微子比来自实验室的中微子具有更高的能级，这使得研究它们的物理特性变得很重要。

该项目的首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的物理学家弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)说，冰立方已经明确地探测到从银河系外流入的中微子，但不能肯定地说它们中的任何一个都来自银河系内。考虑到银河系盘的邻近(事实上，我们的太阳系就嵌在其中)以及中微子极有可能在那里形成，这是相当奇怪的。

不过，问题在于地点。大多数穿过冰立方的中微子都是宇宙射线撞击地球大气层时形成的本土粒子。这些大气中微子每秒触发探测器几千次，斯蒂芬·斯克拉法尼(Stephen Sclafani)说，他现在是马里兰大学的博士后研究员，在德雷克塞尔大学读博士时曾参与过冰立方项目的合作。相比之下，有趣的天体物理学中微子每天只出现一次。

冰立方位于南半球，而地球的体积实际上过滤掉了很多来自北半边天空的大气噪音。但是，银河系的圆盘也大部分位于南半球的天空，这就造成了一个非常嘈杂的环境——这就相当于试图从足球场的大喊大叫中挑出一个声音。Kurahashi Neilson, Sclafani和他们的团队的关键进展是找到了一种方法，使用现在在图像识别软件中常见的机器学习来过滤掉所有的噪音。

他们分析了冰立方10年来的数据，首先把某些被称为轨迹的信号放在一边，这些信号是来自探测器外部的长条纹。轨道是有用的，因为它们有一个明确的方向和起点，Kurahashi Neilson说，然而它们中的很多都是由大气中的中微子产生的。为了捕捉更多在太空中形成的中微子，她和她的团队专注于另一种被称为级联的信号，它看起来像一团光。Kurahashi Neilson说，瀑布很难找到一个起源点，但它们是更可能重要的信号。她补充说:“实际上，使用瀑布而不是轨道，我们可以更好地看到南方的天空。”

斯克拉法尼开发了一个深度神经网络，并训练它识别探测器深处产生的级联事件——那些最有可能是天体物理中微子而不是大气中微子的事件。通过让神经网络识别这些复杂的特征模式，研究人员能够从数据集中收集到比以前方法多30倍的有希望的事件。斯克拉法尼说，如果用传统的方法观察这些事件，估计需要75年的时间。

“这有点像戴上一副眼镜，”德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的物理学家凯瑟琳·瓦莱里乌斯(Kathrin Valerius)说，她没有参与这项新研究。“有了机器学习，一切似乎都变得更加清晰了。”

然后，研究人员能够将中微子信息与银河系中高能伽马射线的数据进行比较，发现它们具有相同的起源，这表明这些中微子是起源于银河系中央圆盘及其周围的宇宙射线的结果。

瓦莱里乌斯说:“这就像一个量子飞跃，可以说这终于发生了。”“几年前，人们根本无法想象会有这样的事情发生。”

展望未来，研究人员可能能够对中微子数据进行分析，以回答长期存在的问题，即宇宙射线的基本起源。它们可能来自超新星残余物、活动星系核或其他完全不同的东西——或者，最有可能的是，所有这些来源的混合。意大利萨莱诺大学的天体粒子物理学家路易吉·安东尼奥·福斯科说，到目前为止，还不可能判断任何给定的中微子是在宇宙射线的源头形成的，还是在宇宙射线穿越太空的过程中形成的。他说，未来的研究可能能够区分这两种情况。“这种辐射就像银河平面上的薄雾，”弗斯科说。“但在雾霾中，我们应该真正看到单个点源，单个排放者，这将再次具有开创性。”

中微子也可以用来研究暗物质。暗物质是一种神秘的物质，在电磁波谱上看不见，但似乎在引力作用下主导着星系和其他大型宇宙结构。瓦莱里乌斯说，中微子可能是在暗物质粒子之间的碰撞中形成的。探测到异常的中微子信号可以间接探测到暗物质。

Kurahashi Neilson说:“每次你以一种新的方式看待事物时，你都会挑出不同的东西，然后你就能对它有一个更全面的了解。”这是一种非常强大且全新的观察方式。”