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幽靈粒子,一個在物理學中很詭異的物質

什麼是幽靈粒子呢?在2018年年中,來自太陽系外的幽靈粒子,它的來源發現,在科學界中引起了巨大的轟動。但是,幽靈粒子到底是什麼呢?這一發現意味著,也被稱作中微子的幽靈粒子是不帶有電荷和幾乎沒有質量的基本粒子。中性電荷是中微子命名的來源。由於缺乏電荷和質量,他們不與任何物質發生相互作用。觀測它們是非常困難的,就像閉著眼睛,戴著眼罩在黑暗的房間裡去找到一個黑色的物體一樣。即使在20世紀30年代幽靈粒子的存在第一次被假設之後,科學家們也耗費了20年的時間才成功地探測到他們。

更令人啼笑皆非的是這些中微子在我們的周圍,事實上每秒鐘都有萬億個中微子穿過我們的身體,所以這些神秘的非互動式粒子又是從哪裡來的?它們大多數來自我們的太陽,但是其他高能中微子的起源是更加的神秘,似乎是在什麼地方。在深空中,中微子和宇宙射線密切相關。高能粒子的來源也是令人難以捉摸,它們和其他原子的相互作用能夠產生中微子,不像中微子,中微子的路徑和磁場相互作用,它穿過宇宙的路徑遵循一條直線的宇宙射線,並且它們的路徑可能不穩定。宇宙射線的第一個跡象就是德國物理學家在1909年偶然遇到的。

特奧多爾·沃爾夫發明了一種探測高能帶電粒子的裝置,他發現在埃菲爾鐵塔的頂部的輻射水平高於底部。三年後,1912年,奧地利裔美國物理學家維克多·赫斯將改進的沃爾夫型驗電器放在熱氣球中,使其升空進入大氣層中,證實了在高處的輻射傳導遠多於地面附近。在一次近乎完全的日全食的實驗中,他推斷:除了太陽之外,一定還有另一個來源,當科學家們對這些非太陽中微子和宇宙射線的來源已經具備了理論知識時。

它只有用專業的裝置——例如在2010年南極地區阿蒙森-史考特南極站完善的冰立方中微子天文臺探測器——去研究,才能夠被證明。這種高度專業化的裝置意在探測和研究被稱為數字光學模組的光學球體組成的冰立方感測器的幽靈粒子。

當被部署好後,它們被連線起來放置在2450米深的地下,兩名工作人員檢測所有粒子的難以捉摸的訊號。中微子們相互作用的其中一種方式,就是透過在與原子碰撞後產生了二次帶電粒子,這種相互作用在2017年發現並命名為冰立方170922,警報一旦被探測到就會發送到其他幾個天文臺,以幫助追蹤這種粒子的來源。天文臺共有18個,包括主要的大氣伽馬成像切倫科夫望遠鏡和美國宇航局的費米伽馬射線空間望遠鏡,它們收集了關於中微子來源的資料,並在經過一些數字運算後測量了從無線電波到伽馬射線的整個電磁波譜。

可以確認的是,幽靈粒子的來源是被稱為T X s o5 o 6 + o5 6,它是宇宙中最亮的物體之一。Blazers最初被認為是來自我們星系的不規則恆星,但實際上是巨大的星系核——從我們的星系外發出的強大的伽馬射線束和不規則的電磁輻射束。當大質量恆星的生命週期結束並開始坍縮時,它們會受到強大的引力,而它們周圍的吸積盤由於這個過程產生了巨大的能量,因此人們認為Blazers是由中心的黑洞提供能量的,這個過程讓他們就像巨型粒子加速器一樣。這些每天照耀地球的閃耀著的粒子和來自遙遠星系的持續的能量流追蹤中微子冰立方7:09,科學家追溯它的來源時,竟一石二鳥地發現關於宇宙射線和中微子。我們現在知道中微子和宇宙射線來自Blazers。

透過理解中微子,我們在理解宇宙如何運轉方面邁出了一大步。我們還有一個關於多信使天文學——一種解釋四種主要型別的太陽系外能量的天文學的疑問,中微子、電磁輻射、宇宙射線和引力波引力波是由大質量物體在時空中彎曲而產生的,電磁輻射是由帶電粒子加速結合而產生的,這些來源可以告訴我們很多關於宇宙的資訊。儘管我們的宇宙方程還很不完整,但現在有了這些關於幽靈粒子和宇宙射線的新資訊,它就變得更有意義了。我們可以放下舊的問題,開始構想新的問題,這對天體物理學來說是一個激動人心的時刻,這些經驗和教訓將引領我們走向未來,新發現也許就在眼前。