冰立方：开启高能中微子天文学之窗

中微子ABC

中微子是构成物质世界的基本粒子之一，最早由著名物理学家泡利在解释中子衰变过程中的“能量丢失”现象时提出。今天我们知道中微子有电子中微子，缪子中微子和陶子中微子三种“味道”，分别对应于电子、缪子和陶子；中微子具有微小但非零的质量，不同种类的中微子之间可以相互转化；中微子不带电，和物质相互作用很弱，可以轻易穿透天体乃至整个宇宙，是揭示天体内部性质的重要信使。

设计师设计的中微子及其对应轻子的玩偶 | 图源：The Particle Zoo。https://www.particlezoo.net 网站有售。

〇 关于中微子的研究先后颁发了4次诺贝尔奖。

1956年美国物理学家莱茵斯和科万利用反应堆实验首次探测到中微子，莱茵斯因此获得诺贝尔奖。值得一提的是1941年中国物理学家王淦昌曾提出探测中微子的一种实验方案，利用轻原子核K层电子俘获释放中微子产生的核反冲来间接验证中微子的存在,并获得美国物理学家艾伦等的实验证实。

1962年莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格利用质子加速器实验发现第二类中微子——缪子中微子，他们三人也获得诺贝尔奖。

1968年戴维斯发现太阳中微子缺失现象，1987年小柴昌俊发现超新星1987A的中微子，二人获得2002年度诺贝尔奖。

日本的超级神冈实验以及加拿大的萨德伯里实验进一步发现大气中微子和太阳中微子反常现象是由于它们转化成了别的类别的中微子，即中微子振荡，两个实验的负责人梶田隆章和麦克唐纳因此获得2015年度诺贝尔奖。

〇 产生中微子的物理过程主要有两类：核反应和介子衰变。前者是低能中微子的主要来源，如，反应堆中微子、太阳及超新星核合成过程产生中微子等；后者是高能中微子的主要来源，例如，高能宇宙射线轰击空气产生大气中微子，或者天体物理加速器加速的高能宇宙射线与物质或者靶光子反应产生中微子等。

与太阳以及超新星核合成过程产生的低能中微子不同，天体物理起源的高能（>TeV, 注：1 TeV = 10¹² eV, 1 eV = 1.6×10⁻¹⁹焦耳）中微子辐射由高能宇宙射线和物质或靶光子相互作用产生的介子衰变而来。因此，高能中微子是解答高能宇宙射线的起源这一谜题的重要信使。

利用高能中微子研究高能宇宙射线起源具有独到的优势，因为中微子和物质相互作用很弱，不容易受到干扰，可以传递出天体最核心的物理信息。和电磁辐射相比，中微子可以传递“高保真无损”信息。比如太阳内部核反应产生的光子辗转到太阳表面需要十万年左右的时间，而且在这过程中这些光子早已不知道来来去去反应了多少回了，而中微子产生后则只需要一两秒的时间就跑出来了，还是“原汁原味”的中微子。

南极“大冰棍”：冰立方天文台

中微子很难与物质发生反应的这一特征使中微子能够无损地传递天体内部的信息，然而这一特征同时也增加了其探测难度，因此探测中微子通常需要硕大无比的探测器。人们往往借助天然水体或者冰体作为探测器，位于南极的冰立方（IceCube）中微子天文台即是这样一个庞然大物，冰立方建设在南极冰面下1450-2450米之间，所占体积约为1立方公里，其示意图如图1所示，其地面建筑的真实照片如图2所示。

图1 冰立方探测器示意图 | 图源：phys.org。

图2 冰立方在南极点的地上实验室的剪影 | 图源：https://icecube.wisc.edu/news/view/661。

冰立方的规模庞大，和它相比，埃菲尔铁塔就像一个袖珍玩具。冰立方的探测器安装也很有意思，利用高压热水将冰层融化出一些管道，然后在这些管道内安置上一串串的探测器，等水重新冻上后，探测器便被固定住。此外还有ANTARES中微子实验，利用地中海水作为探测介质；还有搭载于气球上的ANITA实验，本质上也是利用南极地下的冰层作为探测器；也有一些实验利用山体作为中微子探测介质，如我国计划在青海开展的GRAND实验。

中微子在冰中传播时，有一定概率与冰发生反应，产生次级粒子。次级粒子速度超过冰中的光速时会产生切伦科夫辐射，从而可以被冰立方的那一串串光电探测器探测到。这些在冰层中呈三维立体分布的探测器能够探测到信号的不同拓扑形态，包括级联型（cascades）、径迹型（tracks）和复合型（composites），对应于不同“味道”的中微子。各种中微子事例的拓扑形态如图3所示。

图3 上：电子中微子通常为级联型事件，方向误差相对较大；下：缪子中微子通常产生一条干净的径迹，方向可以定得很好；中：陶子中微子通常具有两簇，称为“双响”（double bang）事件。颜色从红到绿再到紫表示时间从早到晚 | 图源：The IceCube Collaboration（2017ICRC会议文集）

通过光子信号的拓扑形态及光子数目可以得到中微子的方向和能量。由于级联型的光子信号是从中心向四周传播的，很难重建得到准确的中微子入射方向；而径迹型信号是一条细长的光子轨迹，多为高能缪子中微子与冰发生反应产生，重建得到的中微子入射方向很准确，约0.5度（对于能量为100TeV的缪子中微子）。

高能天体物理中微子首次现身

2008年4月，冰立方天文台完成了40串探测器安装并开始采集数据。2011年5月，所有86串探测器全部建成。2013年，冰立方合作组报道了从数十TeV到数PeV能段的中微子能谱测量结果，首次发现超出大气背景的天体物理起源的中微子成分，其置信度为4σ（也就是说只有约十万分之六的可能性是来自大气背景）。

图4 冰立方探测到的中微子天图（赤道坐标系）。+表示级联型事件，X表示缪子径迹型事件 | 图源：Aartsen et al. (2013).

冰立方的结果被认为是革命性的。这是在高能区域首次看到了来自天体的中微子辐射，为我们观察宇宙打开一扇新的天窗。迄今为止，冰立方探测器已经记录下超过一百例可能是天体物理起源的高能中微子。这些高能中微子在天空中的分布接近各向同性，很可能由来自河外宇宙中大量高能源的集体贡献主导。

终于抓到它啦：TXS 0506+056！

冰立方于2013年首次报告了对天体物理起源的中微子成分的成功探测。从2016年开始，冰立方合作组开始通过一些公开平台发布观测结果实时警报，这样全世界的科学家便可以用他们各自的观测设备进行快速跟踪和协同观测，寻找实时中微子事件可能的电磁对应体。这个措施确实很快就收到成效。

2017年9月22日，冰立方合作组报告了一个实时高能中微子事件（能量约为290 TeV），被命名为IceCube-170922A（其信号的拓扑形态如图5）。随即全球约20台望远镜在多个波段对这一方向展开观测，并且发现位于这个方向的一个耀变体活动星系核，TXS 0506+056，在这个时间段恰好处于活跃状态。从位置和时间分析来看，这个中微子事件有约99.97%（3σ）的可能性和TXS 0506+056的耀发关联。虽然置信度还不算特别高，但冰立方的这个事件已经足以引起天体物理领域所有人的兴趣。这一成果也被《Science》杂志评为2018年度十大科学进展之一。

图5 IceCube 170922A信号分布图。深蓝色为最早触发的信号，黄色为最晚的信号。红色箭头方向表示重建的中微子入射方向 | 图源：引文The IceCube Collaboration et al.(2018).

冰立方团队进一步梳理了来自这个耀变体方向的所有数据，发现在2014年9月至2015年3月之间还有一个中微子超出，相对于背景这个超出的置信度为3.5σ。这个置信度仍然不是特别高，但却增强了人们对IceCube-170922A来自于TXS 0506+056的信心。

这一对耀变体与高能中微子源成协的发现很重要，不过也并不意外。耀变体是活动星系核的一类，由星系中心的超大质量黑洞吸积物质形成，吸积产生喷流，而且喷流方向指向观测者（图6）。喷流形成的激波能够加速宇宙射线，被加速的宇宙射线与背景光子或者物质发生反应从而产生高能中微子和伽马光子。

作为冰立方观测到的置信度超过3σ的第一个中微子源，耀变体TXS 0506+056有什么特殊之处？首先，TXS 0506+056是Fermi卫星观测的活动星系核星表中1700多个天体中最亮的50个天体之一，其辐射光度很大。另外，TXS 0506+056的赤纬为+5.7度，位于北天，接近冰立方所在地的地平面方向，而冰立方对来自北天尤其是接近地平面方向的中微子最为灵敏。所以，冰立方率先探测到来自TXS 0506+056的中微子也很自然。

图6 耀变体辐射高能中微子和伽马射线的艺术图片 | 图源：https://www.km3net.org/km3net-congratulates-icecube/。Credit：IceCube/NASA.

但这个事情仍然有让人觉得费解之处。

TXS 0506+056虽然是最亮的50个耀变体之一，然而毕竟还谈不上最亮，那么别的耀变体更亮的耀发发生时为什么没有看到中微子？

还有通过分析Fermi的伽马射线数据，人们发现TXS 0506+056在2014年那次中微子超出期间伽马射线却非常平静。而我们知道中微子和伽马射线通常是伴随产生的，什么原因使得中微子超出被观测到而伽马射线未被观测到？

这些问题仍然有待进一步研究。其中一种可能性为宇宙射线加速器被致密介质环绕，导致光子被吸收，而中微子可以穿透介质传播至地球。因此，高能中微子最亮源可能与伽马射线最亮源并不相同。

还有别的源吗？

最近，冰立方合作组利用10年数据搜寻可能的中微子超出。一方面对全天进行盲搜，可以避免局限于伽马射线观测的限制。另一方面，冰立方合作组也对伽马射线源表中源对应的方位进行分析。采用伽马射线源表分析的好处是，已知候选源的位置，可以提高搜寻中微子源的灵敏度。冰立方的研究发现来自一个塞弗特Ⅱ型星系NGC 1068方向的中微子事例存在置信度约2.9σ的超出（图7）。

图7 北天中微子超出的显著度分布天图。黑×是NGC 1068的位置 | 图源：Aartsen et al.(2020)。

NGC 1068又名为Messier 77，是Fermi观测到的最明亮的塞弗特Ⅱ型星系，也是一种活动星系核。NGC 1068星系同时也具有很高的恒星形成率，是一个星暴星系。星系中心的活动星系核喷流、星系中产生的超新星或者超级泡均有可能加速宇宙射线，从而也可能辐射中微子。

除了NGC 1068，北天区还有3个“热点”具有较弱的中微子超出，它们是前面提到过的TXS 0506+056（这里因忽略了中微子的时间成团性，使得中微子超出的显著度比前文得到的显著度降低了），以及蝎虎BL星系（BL Lacs）PKS 1424+240和GB6 J542+6129。南天区最显著的超出方向和耀变体PKS 2233-148相符，超出的置信度也不高（验后p值为0.55，与纯背景的假设相符）。

除此之外，冰立方合作组还开展了一些其他叠加搜寻，比如将某一类别的源全部叠加在一起来看是否有明显的信号，这在单个源流量均较弱时可能会更有效。不过这一叠加搜寻目前仍然没有观测到置信度超过1σ的信号。

总结与展望：未来可期

2013年，冰立方天文台首次报道了天体物理中微子成分的发现。

2017年，冰立方天文台首次发现了实时中微子事件IceCube-170922A与耀变体TXS 0506+056伽马射线耀发的显著度为3σ的成协，从而进一步从海量的历史数据中找到了显著度为3.5σ的时间依赖的中微子超出。

2020年，冰立方团组又发表了研究工作，利用10年观测数据搜寻到北天的显著度为2.9σ的中微子候选源塞弗特2型星系NGC 1068。尽管冰立方天文台采用10年数据搜索中微子点源并未找到显著度超过3σ的中微子超出，冰立方的结果仍然是鼓舞人心的。

冰立方天文台为高能中微子天文学打开了一扇天窗。未来更多中微子源的发现，结合多信使观测的研究，不仅能够帮助我们理解宇宙射线起源及其加速机制、物理环境等，还可以研究宇宙学、探索新物理。中微子研究已经成为当今物理学和天文学交叉领域的重要课题。

目前冰立方合作组已经开始计划升级其探测器，这个名为冰立方二代的探测器将增大约10倍的探测体积，改善角度测量精度，预期可以探测到更多的中微子源。

在北半球的地中海里，人们也正在建设一个名为KM3Net的实验，其规模比冰立方更大（可达几立方公里），而且对南天区的源更加敏感。我国的上海交通大学研究团队参与了冰立方的国际合作，而中山大学也与KM3NeT合作组签订了谅解备忘录。另外，中法合作计划在青海冷湖开展GRAND中微子实验。

我们相信，在中微子天文学的盛宴即将开启之时，中国也必将不会缺席。

作者简介

贺昊宁，中国科学院紫金山天文台副研究员。研究方向：高能中微子、高能光子及极高能宇宙射线起源的多信使研究。

袁强，中国科学院紫金山天文台研究员。研究方向：高能天体物理、暗物质间接探测、宇宙线物理。

撰稿：贺昊宁、袁强

轮值主编：王英

编辑：王科超、高娜