2025年2月12日，發(fā)表在《自然》雜志的一項(xiàng)研究揭示了一個(gè)前所未有的宇宙事件：科學(xué)家們利用位于地中海深處的立方千米中微子望遠(yuǎn)鏡（KM3NeT），探測(cè)到了一個(gè)能量高達(dá) 220 PeV（百萬(wàn)億電子伏）的中微子。這是人類(lèi)首次捕捉到能量達(dá)數(shù)百 PeV 的中微子，為中微子天文學(xué)揭開(kāi)了全新的篇章。

那么，中微子究竟是什么？KM3NeT 又是如何捕捉到這個(gè)破紀(jì)錄的中微子？如此高能的粒子又來(lái)自何方？

宇宙中的幽靈粒子

中微子是一種基本粒子，與電子屬于同一類(lèi)，但它不帶電荷。地球上的核反應(yīng)堆、太陽(yáng)的核聚變、宇宙中的恒星死亡，都會(huì)產(chǎn)生大量中微子。它是宇宙中僅次于光子的第二常見(jiàn)粒子，然而，由于中微子幾乎不會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此常被稱(chēng)為“幽靈粒子”。中微子的這種特性使它們可以輕易穿透數(shù)千千米的巖石、海水，甚至整個(gè)地球。

就像光子和引力波一樣，中微子也是宇宙“信使”。每一個(gè)被捕捉到的中微子，都是宇宙在向我們傳遞的一條宇宙信息。

在3000多米深處，KM3NeT探測(cè)到了迄今為止能量最高的中微子。（圖/Edward Berbee, Nikhef）
深海中的中微子捕手

為了捕捉和研究中微子，來(lái)自 21 個(gè)國(guó)家的 300 多名科學(xué)家和工程師在地中海深處建造了KM3NeT。深海的環(huán)境既能阻擋干擾信號(hào)，又能利用海水作為探測(cè)介質(zhì)，使望遠(yuǎn)鏡專(zhuān)注于尋找中微子蹤跡。

KM3NeT實(shí)驗(yàn)包含了兩組探測(cè)器陣列，每個(gè)陣列都由垂直的探測(cè)線(xiàn)組成。目前，在計(jì)劃安裝的345條探測(cè)線(xiàn)中，已有約50條投入使用，每條探測(cè)線(xiàn)均配備18個(gè)球形光學(xué)傳感器模塊。

當(dāng)中微子罕見(jiàn)地與水分子發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生帶電粒子，這些粒子在水中的傳播速度超過(guò)水中的光速，從而發(fā)出切連科夫輻射——一種淡藍(lán)色的閃光。KM3NeT 正是通過(guò)捕捉這些藍(lán)光，來(lái)重建中微子的能量、方向和類(lèi)型。

中微子與水分子相互作用產(chǎn)生的帶電粒子在介質(zhì)中以比光更快的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)光。（圖：KM3NeT合作組）

破紀(jì)錄的探測(cè)

2023年2月13日，KM3NeT 位于意大利西西里島附近的探測(cè)器記錄到了一次極其特殊的事件——一個(gè)能量高達(dá) 120 PeV 的 μ 子

更引人注目的是，這個(gè) μ 子的入射方向極為特殊。通常，μ 子由宇宙線(xiàn)撞擊地球大氣層產(chǎn)生，因此大多數(shù)是自上而下進(jìn)入探測(cè)器的。而這次，KM3NeT 發(fā)現(xiàn)的 μ 子幾乎是沿著地平線(xiàn)橫向穿入。這一現(xiàn)象表明，它并非由宇宙線(xiàn)直接產(chǎn)生，而是由高能中微子撞擊深海中的粒子所生成。

高能中微子從宇宙中進(jìn)入地球，穿過(guò)地中海并掠過(guò)馬耳他大陸架，其運(yùn)動(dòng)方向與地平線(xiàn)夾角僅0.6度。（圖：KM3NeT合作組）

研究人員利用模型推算出，這顆中微子的能量高達(dá) 220 PeV。這個(gè)數(shù)字究竟有多驚人？它比太陽(yáng)核心普通粒子的能量高100萬(wàn)億倍，比醫(yī)用X射線(xiàn)高一萬(wàn)億倍，比最強(qiáng)放射性粒子的能量高100億倍！

這是人類(lèi)探測(cè)到的最高能量中微子，突破了之前所有觀(guān)測(cè)紀(jì)錄。

它來(lái)自何方？

如此高能的中微子究竟是如何產(chǎn)生的？科學(xué)家目前有幾種猜測(cè)：它可能起源于超新星爆發(fā)、伽馬射線(xiàn)暴或活動(dòng)星系核等劇烈的宇宙事件；也有可能是特高能宇宙線(xiàn)在宇宙空間穿行時(shí)，撞擊了遍布整個(gè)宇宙的宇宙微波背景輻射，從而產(chǎn)生了超高能量的中微子。研究人員還無(wú)法確定它的真正起源，但未來(lái)更多的觀(guān)測(cè)將幫助我們逐步解開(kāi)謎底。

目前，KM3NeT 仍在擴(kuò)建中，我們完全可以期待，它將帶來(lái)更多令人意想不到的宇宙驚喜。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08543-1

本文為科普中國(guó)?創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者名稱(chēng)：沈雯
審核：張雙南 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員
出品：中國(guó)科協(xié)科普部
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