用幽灵粒子，探索时空的结构

幽灵般的宇宙信使

中微子是一种几乎没有质量、难以捉摸的 " 幽灵粒子 "，它们能够毫不费力地穿过几乎任何物质，不会减速或者改变方向，不受阻碍地进行超长距离的旅行。正因如此，这些携带着有关它们来源信息的粒子，其实扮演着宇宙 " 信使 " 的角色。

这些幽灵般的宇宙信使无处不在，每秒钟，大约有 100 万亿个中微子正穿过你的身体。尽管地球周围的大多数中微子都来自太阳，但还有一些是来自最遥远外太空的高能天体物理中微子（astrophysical neutrino）。

这类中微子可能来自距离地球数十亿光年之远的 " 宇宙加速器 "，比如炽热的耀变体等天体，但它们的确切来源仍不清楚。

南极冰层之下的中微子探测器

但反过来说，中微子神秘的特性也让它们很难被常规探测器捕捉到。目前，最著名的中微子望远镜之一是冰立方中微子天文台（IceCube），它已经在南极运行了十年。

这个天文台由成千上万个传感器组成，深埋在南极冰层之下约 2.5 千米的地方，大约相当于 28 个足球场的长度，它们在那里捕捉来自时空边缘的爆发性事件产生的高能中微子。

冰立方中微子天文台。（图／冰立方）

2013 年，冰立方首次观测到了源自宇宙加速器的高能天体物理中微子的证据。这些宇宙信使提供了对它们来源的深入了解。由于这些中微子在真空中旅行了数十亿光年，它们也可以作为量子引力（也就是引力、力与时空的统一）的一种衡量指标，找出时空结构可能在它们身上留下的线索。

近日，冰立方合作组公布了量子引力对天体物理中微子味的影响的搜索结果。尽管这项长达数年的实验并没有发现量子引力效应的证据，但它仍然代表了对宇宙中未知领域前所未有的惊鸿一瞥，这是第一次利用中微子味干涉测量法触及了量子引力的预期信号区域。研究已发表在《自然 · 物理》上。

长达数年的搜索

自古以来，空间和时间的本质就令思想家们困惑。这个曾让古希腊哲学家冥思苦想的问题，后来被爱因斯坦合并为时空的概念。

过去，科学家可以借助干涉测量，来探测真空的内容。一百多年后的今天，研究人员也可以利用中微子干涉，来寻找真空中新的、意想不到的内容的特征。

中微子有三种不同的味，分别被称为电子中微子、μ 中微子和τ 中微子。当天体物理中微子从遥远的源穿越而来时，由于量子干涉，它们会发生振荡，转换成另一种味。

由于这些中微子对真空中的微小缺陷都很敏感，长期以来，科学家一直猜想，这些扰动应该可被用来探索时空结构，并成为打开未知领域的一扇窗户。

简单来说，中微子干涉改变了在冰立方观测到的不同味的比例。这种比例正是 " 新物理 " 最有力的探针之一，因为它在标准模型的背景下存在一种既定的预期，这样一来，就可以从与既定预期的偏差中，剥离出新的线索。

高能天体物理中微子是从遥远的高能源发射出来的（用长箭头表示）。中微子的传播可能受到时空缺陷的影响，它可以被看作是真空中的一个方向（红色箭头）。这个场的作用是改变天体物理学中微子的味的组成（变色的长箭头）。（图／冰立方合作组）

为了进行这项搜索，研究人员使用了冰立方 7.5 年的高能启动事件（HESE），其中囊括了冰立方所观测到的一些最高的天体物理中微子。

团队在模拟中生成了天体物理中微子味的模型来囊括量子引力的效应。这个模拟用到了标准模型扩展，这是一个理论框架，它以一致的方式描述了所有可能的新时空效应。

他们借助一个贝叶斯框架，将测量到的中微子的味，与传播过程中量子干涉造成的预期结果进行了比较。

总的来说，这项研究在冰立方的数据中没有发现可能暗示量子引力效应的异常的味转换的证据。

迭代和发展

尽管这些结果难免有些令人失望，但研究人员还是设法将已知技术中最严格的限制放在了对时空缺陷参数化的六维算子上。用科学家的话说，冰立方能够 " 明确地达到量子引力驱动的物理学的参数空间 "，换句话说，这些结果为量子引力的理论领域开辟了一条新的道路，它也有机会对各领域的科学家产生各种应用。

比目前冰立方阵列大 10 倍的下一代中微子望远镜冰立方二代（IceCube-Gen2）即将问世。科学家相信，随着数据采集的加强，分析还会得到进一步提高。

也有研究人员认为，机会仍然存在。这项分析是这种类型的第一次迭代，还可以通过开发更好的算法，来测量天体物理中微子的味，从而改进分析。这些改进的结合将推动这类分析朝着发现量子引力的方向不断发展。