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美国佐治亚州萨凡纳市——在南极的地下实验中，现在发现了三个有史以来能量最高的微中子，这些粒子可能是在宇宙中最剧烈的爆炸中产生的。这些微中子的能量都处于极其夸张的拍电子伏特级别——大致相当于一百万倍质子质量的能量。（正如阿尔伯特·爱因斯坦在他著名的E = mc2公式中所表明的那样，能量和质量是等效的，如此大量的质量转化为极端的能量水平。）这个名为冰立方的实验报告说，发现了前两个——昵称为厄尼和伯特——去年，并在周一在这里举行的美国物理学会会议上宣布了第三个。“在内部，它被称为大鸟，”威斯康星大学麦迪逊分校的冰立方物理学家克里斯·韦弗说。
这些微中子之所以有价值，是因为它们非常不合群，很少与其他粒子相互作用，并且不带电，因此它们的运动方向永远不会受到宇宙中磁场的影响。因此，它们的轨迹应该直接指向它们的来源，天文学家认为这可能是各种强烈的事件，例如巨大的黑洞吸积物质、被称为伽玛射线暴的爆炸或以惊人速度形成恒星的星系。
这种不相互作用的倾向也使得微中子极难被探测到。冰立方实验寻找微中子在南极地下埋藏的一立方公里冰中与原子发生碰撞的极少情况。这种屏蔽对于过滤掉来自其他粒子的碰撞是必要的，但不会抑制微中子。该实验利用了那里天然纯净的冰，使用了一个延伸到地下大峡谷深度两倍的区域。数千个光探测器嵌入冰中，以捕捉到微中子被捕获时产生的微小光点。这种相互作用是如此罕见，以至于冰立方研究人员不得不搜索两年才能找到这三个高能微中子。在那段时间里，该仪器还检测到34个能量稍低的微中子。其中一些微中子被认为是当被称为宇宙射线的带电粒子撞击地球大气层时产生的污染物，但冰立方的一部分收获可能直接来自宇宙中的剧烈过程。这些粒子被称为天体物理微中子。“看起来我们已经获得了天体物理微中子的有力证据，”威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家、冰立方团队成员阿尔布雷希特·卡尔说。
宇宙射线本身就是一个谜。其中能量最高的那些被认为起源于产生天体物理微中子的相同过程。然而，由于宇宙射线（尽管名字如此，但实际上是高能粒子）是带电的，它们通过磁场在宇宙中沿着弯曲的路径传播。因此，它们不会保留关于它们来自哪里信息。研究微中子是一种尝试了解高能宇宙射线起源的方式，这些宇宙射线在某种宇宙粒子加速器中以接近光速的速度加速。这到底是如何发生的，这是一个悬而未决的问题，它表明了我们对宇宙中最剧烈的过程的了解是多么的不足。“这是我们世纪最大的谜团，”芝加哥大学卡弗里宇宙物理研究所的宇宙射线研究员藤井俊弘说。藤井没有参与冰立方项目，但他说它的发现将有助于他理解宇宙射线的目标。
关于高能微中子和宇宙射线的一个争论是，它们是来自银河系内的还是银河系外的来源——换句话说，它们是起源于我们银河系内部还是外部？大多数理论倾向于银河系外的来源，例如活动星系核——其他星系中心的超大质量黑洞正在吞噬物质。另一种选择：伽玛射线暴，宇宙中已知的最亮的爆炸，可能发生在某些超新星期间或当两颗中子星合并时。或者，这些粒子可能是星系碰撞的副产品，通过它们的气体发送冲击波，导致恒星以惊人的速度形成。甚至有可能暗物质，这种无形的物质在宇宙中远远超过普通物质，正在以某种方式产生宇宙射线和高能微中子。
根据这 37 个微中子撞击冰立方时行进的方向，它们中很少有似乎起源于银河系平面，即银河系最稠密的部分。这表明它们来自我们银河系之外。“一些最有趣的事件远离银河系平面，”冰立方研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的内森·怀特霍恩说。“纯粹的银河系解释很难成立。”
随着实验在未来几年收集更多高能微中子，冰立方在天空中的微中子源地图将得到改进。科学家们特别感兴趣的是，冰立方观测到的任何粒子是否可以追溯到已知的宇宙物体，例如可见的活动星系核或伽玛射线暴。“直到今天，我们没有任何证据表明与已知来源有任何关联，”威斯康星大学麦迪逊分校的另一位冰立方合作者仓桥奈绪子说，“但这在列表中排名很高。”