IceCube 公布首度搜尋太陽大氣微中子的結果是:還沒找到

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 03 日 9:00 | 分類 天文 , 尖端科技 follow us in feedly


位在南極大陸的冰塊微中子天文台(或譯冰立方微中子天文台,IceCube)是第一個搜尋太陽大氣微中子(atmospheric neutrino)的觀測站,這對了解太陽磁場及宇宙線(cosmic ray)如何在內太陽系穿梭有很重要的作用,甚至可以提供有關太陽暗物質研究的訊息。經過 7 年奮鬥,IceCube 研究人員仍沒有偵測到任何太陽大氣微中子,不過還是可藉此設定太陽大氣微中子通量的上限,未來能朝此方向繼續研究。

▲ 太陽大氣產生的微中子和伽馬射線如何抵達 IceCube 和 Fermi-LAT 的過程示意圖。(Source:Seongjin In, IceCube Collaboration

微中子是質量極輕、幾乎不與其他物質交互作用的粒子,因此極難捕捉,致使科學家迄今對其性質仍不甚清楚;但含量非常豐富,每秒鐘都有數以兆計的微中子穿過你的身體,大多是宇宙線等來自外太空的高能粒子和地球大氣的原子核交互作用時產生的次級粒子簇(secondary particle shower),過程產生的次級粒子稱為「大氣微中子」。但這種交互作用過程並不是地球獨有,離我們最近的恆星──太陽,也有大氣層!當宇宙線穿過太陽大氣時,同樣會與原子核交互作用而產生次級粒子簇,進而產生可在地球偵測到的伽馬射線(γ ray)和微中子。近期,Fermi-LAT 太空望遠鏡已觀測到來自太陽的伽馬射線,至於宇宙線與太陽大氣交互作用產生的微中子則無所踨。

地球和太陽的大氣微中子主要差異之一,就是交互作用發生時的大氣密度不同。對能量高於 10^12 電子伏特(teravolt,兆電子伏特)的高能微中子而言,科學家預期太陽大氣微中子通量會大於地球大氣;剛好,IceCube 的工作波段有涵蓋這個範圍。

南韓首爾成均館大學(Sungkyunkwan University)Seongjin In 等人研究 2010~2017 年間太陽角距在 IceCube 環形陣 5 度以內的資料,然後評估這些資料是否只能以背景預測值來解釋,如果微中子能量分布狀況和角距與他們預期的不同,那麼很可能代表有些微中子是太陽大氣製造出來的。可惜的是,他們最終都沒有取得太陽大氣微中子的證據,觀測結果只與背景預測相符。In 等人還是由此估計太陽大氣微中子通量的上限,這是科學家第一次獲得太陽大氣微中子通量的上下限,可讓未來的相關研究縮減搜尋範圍,減少不必要的浪費。

▲ IceCube 得出的太陽大氣微中子上限(黑色虛線),其他點則是伽馬射線實驗結果。(Source:IceCube Collaboration

沒偵測到太陽大氣微中子,In 等人並不氣餒,因為他們認為,或許是觀測的時機不對,才會沒有偵測到太陽大氣微中子。如果微中子通量調變方式與伽馬射線類似,那麼太陽大氣微中子的通量將在太陽活動極小期時增加,那麼 2020 年前後的太陽極小期,IceCube 應該就可以偵測到太陽大氣微中子了。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:pixabay

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