南极洲冰立方中微子观测站的研究人员发现了七个信号，这些信号可能表明来自天体物理物体的tau中微子——众所周知，中微子很难被探测到。
中微子是最难以探测的粒子之一，因为它们的质量极低且与物质的相互作用很弱。科学家对这些粒子感兴趣的原因之一是它们能够长距离传播，这意味着它们可以保存有关天体物理过程和远离我们发生的物体的信息。
IceCube合作旨在通过观察中微子在探测器上相互作用或穿越冰层时留下的痕迹来研究这些中微子。
本研究发表在《物理评论快报》上，详细介绍了IceCube如何观测中微子信号，其中七个可能是tau中微子。
研究人员使用卷积神经网络(CNN)筛选了南极观测站9.7年收集的数据。他们的主要挑战是区分中微子的三种“味道”，所有这些都留下相似的信号。
μ子、电子和τ中微子
正如科学界所知，中微子有三种变体或风味：电子中微子、μ子中微子和τ中微子。它们是宇宙中质量最丰富的粒子，每秒有100万亿个粒子穿过您的身体!
然而，正如前面提到的，它们是出了名的难以检测，更难区分口味。
“与其他粒子相比，分离中微子特别具有挑战性，因为它们与物质的相互作用很弱。τ中微子可以很容易地模仿电子中微子或μ子中微子，即另外两种已知的中微子，因此分离它们更具挑战性，”教授解释道。来自宾夕法尼亚州立大学的道格·考恩(DougCowen)是该研究的合著者之一。
冰立方中微子观测站由位于南极一立方公里的冰层下的数千个光学传感器组成。当中微子穿过探测器上的冰时，它们会留下两种类型的痕迹：轨道和瀑布。
轨迹是μ子中微子与冰碰撞时留下的最常见的图案类型，它们是光子的直线。
另一方面，级联不太常见。这些图案由两个光点或亮点组成，这是由于最初与冰的相互作用以及随后延迟成电子或tau粒子而产生的。
“电子中微子产生的第二个光球与第一个光球非常接近，以至于IceCube将它们视为单个球。相比之下，τ中微子在衰变之前可以传播约10米，产生了IceCube可以区分的第二个光球从一开始，”考恩教授说。
挑战在于探测器上的图案看起来非常相似，因此很难区分。正如Cowen教授所说，这种模糊性导致研究人员使用CNN来“处理tau中微子能够产生的无数模式”。
CNN和模式
考恩教授解释说：“CNN的设计目的是区分图像，例如狗的照片和猫的照片，并针对不同品种、不同背景、不同照明等进行区分。”
这使它们成为筛选冰立方中微子天文台收集的数据并识别属于tau中微子信号的完美候选者。
为了训练网络，研究人员使用了模拟数据，其中包括与tau中微子相互作用和背景噪声相对应的各种模式。
在这种情况下，背景噪声是指可能由其他天体物理源引起但与tau中微子特征非常相似的信号。
通过对tau中微子信号和背景噪声训练CNN，研究人员旨在开发一种能够区分真正的tau中微子信号和其他来源的模型。
“凭借超过1亿个可训练参数，我们的CNN可以从背景大海捞针中提取所有tau中微子针，”考恩教授说。
七个tau中微子候选者
研究人员预计会看到六个tau中微子，但最终看到了七个。这是他们2013年工作的延续，当时IceCube成功识别出来自黑洞的数百个μ子中微子和一个电子反中微子。
他们的分析证实，即使在飞行了天文距离和极高能量后，所有类型的中微子的行为都符合预期，其中七个中微子中的每一个都具有20TeV或更高的能量。作为参考，1TeV相当于一只飞蚊子的运动能量。
“我们可以确定，我们的七个τ中微子来自天体物理来源，因为地球上的中微子来源，如大气，无法产生这种能量规模的τ中微子。因此，七个τ中微子为IceCube2013年的发现提供了有力的证实。天体物理中微子，”考恩教授说。
所有三种中微子味道都得到证实这一事实意义重大。这是因为中微子在穿越太空时能够在不同味道之间切换，这种现象称为中微子振荡。
研究人员首次证实中微子振荡在如此高的能量和如此长的距离下发生。
虽然研究人员不能100%确定这七个信号是tau中微子，但他们对自己的预测充满信心。根据他们的统计分析，观察到的信号有350万分之一的可能性是由数据的随机波动引起的。
考恩教授补充道：“粗略地说，我们的七个事件之一有25%的可能性是天体物理电子或μ子中微子，而不是τ中微子。”
模式识别和天体物理学来源
研究人员进行的有趣观察之一是CNN如何识别tau中微子留下的模式。双级联模式是tau中微子的特征，也是研究人员认为敏感分析所依赖的特征。
然而，他们注意到的事情要有趣得多。虽然七个信号中有一些具有这种特征模式，但有几个却没有。
考恩教授解释说：“我们随后确定，CNN实际上专注于两个光球产生的光的整体模式，并且对各个传感器中的信号模式不敏感。”
这意味着CNN正在研究整体模式，包括两个亮点周围的相邻光子。
这一发现的相关性一直延伸到高能中微子本身的起源。
“随着我们改进寻找tau中微子的技术，并根据它们在探测器中产生的模式确定它们的特性，我们预计能够利用它们的指向能力来搜索天体物理源，也许会发现新的中微子，或者锐化我们当前的中微子图像。银河系中心，”考恩教授总结道。
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