冰立方探测到中微子：科学家捕捉到首张银

　　用中微子透镜(蓝色)看到的银河系的艺术家构图。鸣谢:冰立方合作/美国国家科学基金会(Lily Le & Shawn Johnson)/ESO(s . Brunier)

　　据威斯康星大学麦迪逊分校：我们的银河系是夜空中一个令人敬畏的特征，用肉眼可以看到地平线到地平线的朦胧的星星带。现在，冰立方中微子天文台首次使用中微子——微小的幽灵般的天文信使——生成了一幅银河系的图像。在即将发表在《科学》杂志上的一篇文章中，由350多名科学家组成的国际团体“冰立方合作”提出了银河系高能中微子发射的证据。

　　高能中微子的能量比驱动恒星的聚变反应产生的能量高数百万到数十亿倍，是由冰立方中微子天文台探测到的，这是一个在阿蒙森-斯科特南极站运行的千兆吨级探测器。

　　这个独一无二的探测器覆盖了一立方千米深的南极冰层，配备了5000多个光传感器。冰立方寻找来自我们银河系和更远的地方的高能中微子的迹象，直到宇宙的最远端。

　　“耐人寻味的是，与任何波长的光不同，在中微子中，宇宙比我们自己的星系中的邻近光源更亮，”威斯康星大学麦迪逊分校物理学教授兼冰立方首席研究员弗朗西斯·哈尔岑说。

　　银河系的多信使视图，以银河中心为中心，在银河坐标中观看。每个面板显示了银河纬度15°范围内的整个银河平面，每个面板都有独特的色标。从上到下，这些面板是:1)光学范围内的视图，部分被吸收光子的气体和尘埃云所遮蔽，2)费米-拉特12年巡天观测所见的伽马射线的积分通量，3)预期中微子通量的发射模板，与费米-拉特测量的模板相匹配，4)面板3的发射模板与IceCube探测器对级联中微子事件的接受度相卷积，以及5)使用级联中微子事件样本对点状源进行全天空扫描的预审意义。鸣谢:冰立方

　　国家科学基金会物理部主任丹尼斯·考德威尔说:“科学上的重大突破往往是由技术进步促成的。”。“高度敏感的冰立方探测器提供的能力，加上新的数据分析工具，让我们对我们的星系有了一个全新的认识——这是以前只暗示过的。随着这些功能的不断完善，我们可以期待看到这张分辨率不断提高的照片，有可能揭示人类从未见过的银河系的隐藏特征。”

　　宇宙射线——高能质子和更重的原子核，也在我们的星系中产生——与星系气体和尘埃之间的相互作用不可避免地产生伽马射线和中微子。鉴于对来自银道面的伽马射线的观察，银河系被认为是高能中微子的来源。

　　一个艺术家印象中的银河系前面的中微子视图(蓝天图)。鸣谢:CRC 1491的冰立方合作/科学交流实验室

　　“现在已经测量到了一个中微子，从而证实了我们对我们的星系和宇宙射线源的了解，”德雷克塞尔大学物理学博士生、冰立方成员兼共同首席分析师Steve Sclafani说。

　　搜索集中在南部天空，从银道面发射的大部分中微子预计在我们银河系的中心附近。然而，直到现在，宇宙射线与地球大气相互作用产生的μ子和中微子的背景构成了重大挑战。

　　为了克服它们，德雷克塞尔大学的IceCube合作者开发了选择“级联”事件或冰中中微子相互作用的分析，这些事件导致大致球形的光簇射。因为来自级联事件的沉积能量在仪器体积内开始，所以减少了大气μ子和中微子的污染。最终，级联事件的纯度越高，对来自南方天空的天体物理中微子的灵敏度就越高。

　　银河系的两幅图像。顶部是用可见光拍摄的，底部是首次用中微子拍摄的。鸣谢:冰立方合作/美国国家科学基金会(Lily Le & Shawn Johnson)/ESO(s . Brunier)

　　然而，最终的突破来自于机器学习方法的实施，这些方法是由TU Dortmund大学的IceCube合作者开发的，可以改进对中微子产生的级联的识别以及它们的方向和能量重建。对来自银河系的中微子的观察是机器学习在IceCube的数据分析和事件重建中提供的新兴临界值的标志。

　　“改进的方法使我们能够通过更好的角度重建保留超过一个数量级的更多中微子事件，从而使分析比以前的搜索敏感三倍，”IceCube成员、多特蒙德大学物理学博士生兼共同首席分析器Mirco Hünnefeld说。

　　这项研究中使用的数据集包括跨越10年冰立方数据的60，000个中微子，是以前使用级联事件分析银道面时使用的事件数的30倍。将这些中微子与先前公布的天空中星系预计会在中微子中发光的位置的预测地图进行了比较。

　　冰立方实验室的一个视图，星空显示了银河和绿色极光。鸣谢:Yuya Makino，IceCube/NSF

　　这些地图包括一张通过外推费米大面积望远镜对银河系的伽马射线观测制作的地图，以及两张被制作它们的理论家小组确定为KRA-伽马射线的替代地图。

　　“对银河系中宇宙射线相互作用的这一期待已久的检测也是一个很好的例子，表明当机器学习中知识发现的现代方法得到一致应用时可以取得什么样的成就，”多特蒙德大学物理学教授、冰立方成员、海因费尔德的顾问沃尔夫冈·罗德说。

　　机器学习的力量提供了巨大的未来潜力，使其他观察更加触手可及。

　　“银河系是高能中微子源的有力证据通过了合作的严格测试，”佐治亚理工学院物理学教授Ignacio Taboada和IceCube发言人说。"现在下一步是确定星系内的具体来源."

　　这些问题和其他问题将在IceCube计划的后续分析中得到解决。

　　“首次使用粒子而不是光来观察我们自己的星系是一个巨大的进步，”Drexel大学物理学教授、IceCube成员、Sclafani的顾问Naoko Kurahashi Neilson说。“随着中微子天文学的发展，我们将获得一个观察宇宙的新镜头。”