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，这种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 合作项目旨在通过观察这些中微子在探测器上与冰层相互作用或穿过冰层时留下的痕迹来研究它们。
这本研究， 出版于物理评论快报，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（CNN）筛选南极观测站收集的 9.7 年数据。他们面临的主要挑战是区分三种“类型”的中微子，它们都会留下类似的信号。
介子、电子和τ中微子
中微子有三种变体，即科学界所称的三种类型：电子中微子、μ 子中微子和 τ 子中微子。它们是宇宙中质量最丰富的粒子，每秒有 100 万亿个中微子穿过你的身体！
然而，正如前面提到的，它们非常难以检测，区分它们的味道就更加困难了。
“与其他粒子相比，分离中微子尤其具有挑战性，因为它们与物质的相互作用较弱。τ中微子可以很容易地模仿电子中微子或μ中微子，这是另外两种已知的中微子，因此分离它们更具挑战性，”该研究的合著者之一、宾夕法尼亚州立大学的道格·考恩教授向 Phys.org 解释道。
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。
如何发现差异？
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，这是由于最初与冰相互作用以及随后延迟进入电子或 tau 粒子所致。
“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“处理有能力生产”。
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和识别属于 τ 中微子的信号的最佳候选者。
为了训练网络，研究人员使用了模拟数据，其中包括与 tau 中微子相互作用相对应的各种模式，以及。
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τ中微子的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
研究人员原本预计会看到六个 tau 中微子，但最终只看到了七个。这是他们 2013 年工作的延续，当时 IceCube 成功识别了数百个以及来自黑洞的电子反中微子。
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 20 TeV 或更高的能量。 作为参考，1 TeV 相当于一只飞蚊子的运动能量。
“我们可以肯定，我们的七个 tau 中微子来自天体物理源，因为地球上的中微子源（如大气层）无法产生这种能量级别的 tau 中微子。因此，这七个 tau 中微子为 IceCube 于 2013 年发现天体物理中微子提供了有力的证明，”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是在如此高的能量和如此长的距离下发生的。
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
研究人员发现的一个有趣现象是 CNN 如何识别 tau 中微子留下的图案。双级联图案是 tau 中微子的特征，研究人员认为敏感分析将依赖此特征。
然而，他们注意到的事情更有趣。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 实际上已经集中于两个光球产生的光的整体模式，并且对单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。
这一发现的意义一直延伸到高能中微子本身的起源。
考恩教授总结道：“随着我们不断改进寻找τ中微子的技术，以及根据它们在探测器中产生的模式确定它们的特性，我们期待能够利用它们的指向能力来寻找天体物理源，也许会发现新的中微子，或者增强我们目前对来自银河系中心的中微子的图像。”
