Nur Schettino ' 24和Fe McBride教授寻找宇宙中微子的来源
肖恩·李23岁南极观星
在南极的深处，有数千个球形光传感器被埋在一个晶格中，这个晶格占据了一立方公里的纯南极冰. 这些传感器属于冰立方中微子天文台, 这是一个寻找几乎没有质量的物体的合作, 不带电的亚原子粒子，顾名思义. 因为它们的质量很小而且没有电荷, 中微子很少与物质相互作用, 它们被称为“幽灵粒子”.”
宇宙中微子, 之所以这么说，是因为它们来自外太空的天体物理物体, 能以数百TeV(电子伏特)的能量到达地球吗, or 1012 eV)高达1 PeV(电子伏特，或1000 TeV). 当高能宇宙中微子撞击冰立方探测器中的水分子时, 它可以释放出比光在冰中的运动速度还快的电子. The luminous equivalent of a sonic boom ensues; this same phenomenon, 被称为切伦科夫辐射, 在浸没在水中的核反应堆中也会发生, 人眼感知到的是蓝光. 这个动画 说明发生了什么.
爱达荷国家实验室先进试验反应堆中切伦科夫辐射的蓝色辉光. 来源:美国能源部.
用它的许多传感器记录切伦科夫辐射的光锥, 冰立方可以重建中微子的轨迹, 缩小了它在天空中的起源. 因为中微子是电中性的, 它们从源到探测器沿直线传播, 消除像中微子“旋转”一样的可能性,正如斯凯蒂诺所说的那样, 由于地球磁场的作用而穿过大气层. 到达地球的宇宙中微子来自外层空间带电粒子的相互作用. 让斯凯蒂诺感到兴奋的一个大问题是:冰立方探测到的中微子是由什么天体物理事件产生的?
黑洞的才华
超大质量黑洞的极端引力, 就像我们银河系中心的那个, 能否将离子加速到如此高的速度，以至于中微子从它们的碰撞中产生. 这些黑洞, 它们可以吞噬附近的恒星, 吸引气体和尘埃，这些气体和尘埃聚集成一个快速旋转的吸积盘，其电磁辐射比星系的其他部分都要强. 因此，它们被称为活动星系核(AGN).
人马座A*的阴影，位于银河系中心的超大质量黑洞. 事件视界望远镜(EHT)合作项目于2022年5月向世界公布了这张合成图像.
Schettino说，将AGN理解为中微子源可以帮助解释重核是如何产生中微子的, 如铁, 获得以相对论速度到达地球所需的巨大动能, 是什么一直困扰着天文学家.
在研究中, Schettino和McBride专注于冰立方探测到的一种特定的高能中微子. Schettino解释说, “冰立方给了我们一个区域, 然后我们在天文目录中搜索那个区域的候选来源.”
一个活跃的星系核的插图，有一个吸积盘和沿其旋转轴的高能射流. Schettino说，这样的AGN可以加速带电粒子并喷射出高能中微子. 来源:NASA/Dana Berry (SkyWorks Digital).
编码 & 计算
为了评估候选中微子源，斯凯蒂诺需要分析大量数据. 他使用了一种名为S-Lang的脚本语言和交互式光谱解释系统, 为研究x射线光谱而设计的一套数据分析功能.
为什么x射线? “表面上看，电磁数据与中微子无关，”斯凯蒂诺说. 但在2000年，研究人员 提出了 这是一个天体物理模拟器，它的结果表明，在像AGN这样的极端环境中，中微子和光子的能量通量非常相似. 因为这个原因, 我们可以用x射线能量通量来估计在给定时间间隔内发射的中微子的数量.
计算候选源的x射线能量通量, Schettino通过绘制能量通量与光子频率的关系，构造了光谱能量分布曲线.
“有很多因素需要考虑, 比如曲率, 坡, and range of these SEDs; playing around with them allows us to see how well we can fit the data,斯凯蒂诺解释道.
令人惊讶的是，许多来源的SED数据可以在对数-对数尺度上使用抛物线进行建模. 特别是, 来模拟AGN谱, 研究人员使用了一对抛物线，有点像骆驼的驼峰, 这些SED曲线也因此获得了“骆驼图”的绰号.”
一个“骆驼阴谋”的例子，由Schettino提供(正在进行中)
“对于我们考虑过的中微子事件, 唯一真正的候选源是AGN,斯凯蒂诺解释道.
通过在SED上进行集成, Schettino计算了候选AGN的光子能量通量，并用它来预测相应的中微子能量通量. 然后, 使用一个关键假设(即, 高能抛物线来自质子的“纯强子”相互作用, π介子, 或者其他由夸克构成的粒子), 考虑到冰立方灵敏度的局限性, 并根据恒星尘埃的吸收等影响进行调整, 斯凯蒂诺得到了一个中微子数. 在本质上, 中微子数代表了冰立方在给定时间间隔内期望探测到的中微子数量.
“比如说，我们计算出一个中微子数为0.5个，但冰立方在这段时间内实际上只探测到一个中微子. 然后我们使用泊松统计,这是一种低数字统计, 来计算那个检测到的概率.”
Schettino和McBride现在正在准备一份手稿来展示他们的研究结果.
星光灿烂的夏天
这项工作让斯凯蒂诺着迷. For one thing, he says, “IceCube is such an incredibly cool project; it’s a marvel of engineering.他对天体物理学充满热情，尤其是对极端引力的研究:“我喜欢黑洞。.”
在项目的技术方面, Schettino反映, “我喜欢思考物理如何影响代码中的决策. 我们很容易迷失在脚本编写的细节中，但模型需要代表现实.例如:, 他解释说, 在x射线数据中拟合幂律时, 我们必须应用吸收模型，因为电磁辐射会被宇宙尘埃和星际云吸收.“创造一个总体叙事”的挑战，将项目的许多部分结合起来，经常挑战Schettino从细节中退后一步，从概念上思考.
斯凯蒂诺也指出, “It was cool to see how the data mirrored the physical structure of the instruments; for example, 核光谱望远镜阵列有两个焦平面或探测器单元, 他们的x射线数据存储在“需要组合的单独阵列”中.”
NuSTAR的图示. 斯凯蒂诺使用核之星收集的x射线数据来帮助推断他的候选AGN的中微子数. 资料来源:加州理工学院/NASA喷气推进实验室.
最后, Schettino concludes that his summer work “puts into perspective how little I know” in the best way possible; it’s motivated him to keep learning. “我以为我了解很多物理学, 但我意识到我想错了.他以真正的买球平台风格，带着热情和谦逊说道:“我正在学习该问哪些问题。.”