幽靈般的宇宙信使

中微子是一種幾乎沒有質量、難以捉摸的 " 幽靈粒子 "，它們能夠毫不費力地穿過幾乎任何物質，不會減速或者改變方向，不受阻礙地進行超長距離的旅行。正因如此，這些攜帶著有關它們來源信息的粒子，其實扮演著宇宙 " 信使 " 的角色。

這些幽靈般的宇宙信使無處不在，每秒鐘，大約有 100 萬億個中微子正穿過你的身體。盡管地球周圍的大多數中微子都來自太陽，但還有一些是來自最遙遠外太空的高能天體物理中微子（astrophysical neutrino）。

這類中微子可能來自距離地球數十億光年之遠的 " 宇宙加速器 "，比如熾熱的耀變體等天體，但它們的確切來源仍不清楚。

南極冰層之下的中微子探測器

但反過來說，中微子神秘的特性也讓它們很難被常規探測器捕捉到。目前，最著名的中微子望遠鏡之一是冰立方中微子天文臺（IceCube），它已經在南極運行了十年。

這個天文臺由成千上萬個傳感器組成，深埋在南極冰層之下約 2.5 千米的地方，大約相當于 28 個足球場的長度，它們在那里捕捉來自時空邊緣的爆發性事件產生的高能中微子。

冰立方中微子天文臺。（圖／冰立方）

2013 年，冰立方首次觀測到了源自宇宙加速器的高能天體物理中微子的證據。這些宇宙信使提供了對它們來源的深入了解。由于這些中微子在真空中旅行了數十億光年，它們也可以作為量子引力（也就是引力、力與時空的統一）的一種衡量指標，找出時空結構可能在它們身上留下的線索。

近日，冰立方合作組公布了量子引力對天體物理中微子味的影響的搜索結果。盡管這項長達數年的實驗并沒有發現量子引力效應的證據，但它仍然代表了對宇宙中未知領域前所未有的驚鴻一瞥，這是第一次利用中微子味干涉測量法觸及了量子引力的預期信號區域。研究已發表在《自然 · 物理》上。

長達數年的搜索

自古以來，空間和時間的本質就令思想家們困惑。這個曾讓古希臘哲學家冥思苦想的問題，后來被愛因斯坦合并為時空的概念。

過去，科學家可以借助干涉測量，來探測真空的內容。一百多年后的今天，研究人員也可以利用中微子干涉，來尋找真空中新的、意想不到的內容的特征。

中微子有三種不同的味，分別被稱為電子中微子、μ 中微子和τ 中微子。當天體物理中微子從遙遠的源穿越而來時，由于量子干涉，它們會發生振蕩，轉換成另一種味。

由于這些中微子對真空中的微小缺陷都很敏感，長期以來，科學家一直猜想，這些擾動應該可被用來探索時空結構，并成為打開未知領域的一扇窗戶。

簡單來說，中微子干涉改變了在冰立方觀測到的不同味的比例。這種比例正是 " 新物理 " 最有力的探針之一，因為它在標準模型的背景下存在一種既定的預期，這樣一來，就可以從與既定預期的偏差中，剝離出新的線索。

高能天體物理中微子是從遙遠的高能源發射出來的（用長箭頭表示）。中微子的傳播可能受到時空缺陷的影響，它可以被看作是真空中的一個方向（紅色箭頭）。這個場的作用是改變天體物理學中微子的味的組成（變色的長箭頭）。（圖／冰立方合作組）

為了進行這項搜索，研究人員使用了冰立方 7.5 年的高能啟動事件（HESE），其中囊括了冰立方所觀測到的一些最高的天體物理中微子。

團隊在模擬中生成了天體物理中微子味的模型來囊括量子引力的效應。這個模擬用到了標準模型擴展，這是一個理論框架，它以一致的方式描述了所有可能的新時空效應。

他們借助一個貝葉斯框架，將測量到的中微子的味，與傳播過程中量子干涉造成的預期結果進行了比較。

總的來說，這項研究在冰立方的數據中沒有發現可能暗示量子引力效應的異常的味轉換的證據。

迭代和發展

盡管這些結果難免有些令人失望，但研究人員還是設法將已知技術中最嚴格的限制放在了對時空缺陷參數化的六維算子上。用科學家的話說，冰立方能夠 " 明確地達到量子引力驅動的物理學的參數空間 "，換句話說，這些結果為量子引力的理論領域開辟了一條新的道路，它也有機會對各領域的科學家產生各種應用。

比目前冰立方陣列大 10 倍的下一代中微子望遠鏡冰立方二代（IceCube-Gen2）即將問世。科學家相信，隨著數據采集的加強，分析還會得到進一步提高。

也有研究人員認為，機會仍然存在。這項分析是這種類型的第一次迭代，還可以通過開發更好的算法，來測量天體物理中微子的味，從而改進分析。這些改進的結合將推動這類分析朝著發現量子引力的方向不斷發展。