科学家首次观测到源自银河系中心盘的中微子。
中微子是微小的、极其奇异的粒子，可以几乎无阻碍地穿过物质。由于它们缺乏相互作用，因此很难探测到，但也很有希望揭示宇宙的新秘密。特别是，银河系中微子可能有助于科学家理解高能粒子——宇宙射线的起源，宇宙射线启动了中微子的形成。德雷塞尔大学的物理学家仓桥尚子·尼尔森说，由于中微子是电磁频谱之外的粒子，它们就像一个新的、独立于光线的透镜，通过它可以研究星系的结构。她提出了这种新方法，使研究人员能够做出这项发现。
仓桥·尼尔森说：“现在我们第一次在光以外的东西中看到了我们的星系。”该团队今天在《科学》杂志上报告了他们的发现。
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当构成大多数宇宙射线的高能辐射与物质相互作用时，会形成中微子，产生称为π介子的带电粒子，π介子在衰变时产生中微子。人们认为，这个过程不断地在物质密集、宇宙射线沐浴的银河系盘中产生中微子。像所有中微子一样，那些被认为来自银河系盘的中微子是如此的虚无缥缈，以至于像幽灵一样：它们具有中性电荷，质量非常小，以至于科学家们仍然不知道这些粒子的确切重量，并且它们几乎不与物质或电磁场相互作用，即使它们以接近光速的速度在宇宙中长距离传播。这种缺乏相互作用使得研究中微子成为研究孕育它们的宇宙射线的有希望的方式。事实上，许多宇宙射线是非常高能量的光子——伽马射线——当它们穿过太空时，可能会被星际或星系际物质吸收。相比之下，中微子就像它们自身形成的时间胶囊，几乎没有留下它们随后旅行的印记，但有望留下一些挥之不去的证据，以启发科学家们寻找宇宙射线最深的天体物理起源——这仍然是未知的。
这就是冰立方实验的用武之地。在过去的10年中，一个钻入南极冰层的小型光传感器阵列一直在探测穿过我们地球的中微子。冰立方实际上是由这些传感器组成的一个立方体，每边长一公里，沉入冰层中1.5至2.5公里深处。在这个半透明的介质中，当一个极其罕见的中微子撞击冰层并产生次级粒子簇射时，传感器会捕捉到被称为切伦科夫辐射的微弱闪光。英国谢菲尔德大学的物理学家安东尼·埃泽里贝说，物理学家也可以在地球上的粒子加速器中制造中微子，以用于他们的研究，他没有参与这项新的论文。然而，一些来自太空的中微子的能量水平高于任何来自实验室的中微子，这使得研究它们的物理特性非常重要。
冰立方已经明确探测到从中银河系外涌入的中微子，但不能肯定地说其中任何一个来自银河系内部，该项目的首席研究员、威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家弗朗西斯·哈尔岑说。考虑到银河系盘的近距离（事实上，我们的太阳系就嵌入其中）以及中微子很可能在那里形成，这相当奇怪。
然而，问题出在位置上。大多数穿过冰立方体射来的中微子都是本土粒子，它们是在宇宙射线撞击地球大气层时形成的。现在是马里兰大学博士后研究员的斯蒂芬·斯克拉法尼说，当他在德雷塞尔大学攻读博士学位时，他参与了冰立方合作项目。大气中微子每秒触发探测器数千次。相比之下，有趣的宇宙物理中微子大约每天只出现一次。
冰立方位于南半球，当地球的大部分来自北半球天空时，实际上会过滤掉许多这种大气噪声。但是银河系盘也主要位于南半球的天空中，形成了一个非常嘈杂的环境——相当于试图从一个足球场的人群的呐喊声中挑选出单个声音。仓桥·尼尔森、斯克拉法尼和他们的团队的关键进展是找到一种方法，使用现在图像识别软件中常见的机器学习来过滤掉所有这些噪声。
在分析了十年的冰立方数据后，他们首先搁置了某些称为径迹的信号，这些径迹是源自探测器外部的长条纹。仓桥·尼尔森说，径迹很有用，因为它们具有清晰的方向和起点，但其中很多是由大气中微子产生的。为了捕捉更多在太空中形成的中微子，她和她的团队专注于另一种称为簇射的信号，它看起来像一团光斑。仓桥·尼尔森说，簇射更难找到起点，但它们是更有可能重要的信号。“实际上，使用簇射而不是径迹，我们可以更好地看到南方的天空，”她补充道。
斯克拉法尼开发了一个深度神经网络，并对其进行训练，以识别探测器深处产生的簇射事件——那些最有可能成为天体物理中微子而不是大气中微子的事件。通过让神经网络识别这些复杂的特征模式，研究人员能够从数据集中收集到比以前的方法多30倍的有希望的事件。斯克拉法尼说，用老式方法观察到如此多的事件，估计需要75年。
德国卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家卡特琳·瓦莱里乌斯说：“这有点像戴上了一副眼镜，”她没有参与这项新的研究。“使用机器学习，一切似乎都清晰得多。”
然后，研究人员能够将中微子信息与银河系中高能伽马射线的数据进行比较，以了解它们具有相同的起源，这表明这些中微子是起源于银河系中心盘及其周围的宇宙射线的后果。
瓦莱里乌斯说：“能够说出这件事终于发生了，这就像是一次量子飞跃。” “几年前，人们无法想象这会完成。”
展望未来，研究人员或许能够分解中微子数据，以解答长期存在的问题，即宇宙射线的根本起源。它们可能来自超新星遗迹、活动星系核或其他完全不同的东西——或者，也许最有可能的是，所有这些来源的混合。意大利萨莱诺大学的天体粒子物理学家路易吉·安东尼奥·富斯科说，到目前为止，不可能分辨出任何给定的中微子是在宇宙射线的源头形成的，还是在宇宙射线穿过太空的旅程中形成的。他说，未来的研究或许能够区分这两种情况。“这种发射就像银河平面上的一层雾霾，”富斯科说。“但在那层雾霾中，我们应该真正看到各个点源、各个发射器，这将再次是开创性的。”
中微子也可以被利用来深入研究暗物质，暗物质是一种神秘物质，在电磁频谱上是不可见的，但似乎在引力上支配着星系和其他大型宇宙结构。瓦莱里乌斯说，中微子有可能在暗物质粒子之间的碰撞过程中形成。探测到异常的中微子信号可能导致间接探测到暗物质。
仓桥·尼尔森说：“每次你用新的方式观察[某事物]时，你都会挑选出不同的东西，并且你能够构建更完整的画面来了解它是什么。这是一种非常强大且全新的观察方式。”