2025年2月12日，發(fā)表在《自然》雜志的一項研究揭示了一個前所未有的宇宙事件：科學家們利用位于地中海深處的立方千米中微子望遠鏡（KM3NeT），探測到了一個能量高達 220 PeV（百萬億電子伏）的中微子。這是人類首次捕捉到能量達數(shù)百 PeV 的中微子，為中微子天文學揭開了全新的篇章。

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

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，但它不帶電荷。地球上的核反應堆、太陽的核聚變、宇宙中的恒星死亡，都會產(chǎn)生大量中微子。它是宇宙中僅次于光子的第二常見粒子，然而，由于中微子幾乎不會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此常被稱為“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，甚至整個地球。

就像光子和引力波一樣，中微子也是宇宙“信使”。每一個被捕捉到的中微子，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，來自 21 個國家的 300 多名科學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，又能利用海水作為探測介質(zhì)，使望遠鏡專注于尋找中微子蹤跡。

KM3NeT實驗包含了兩組探測器陣列，每個陣列都由垂直的探測線組成。目前，在計劃安裝的345條探測線中，已有約50條投入使用，每條探測線均配備18個球形光學傳感器模塊。

當中微子罕見地與水分子發(fā)生相互作用時，會產(chǎn)生帶電粒子，這些粒子在水中的傳播速度超過水中的光速，從而發(fā)出切連科夫輻射——一種淡藍色的閃光。KM3NeT 正是通過捕捉這些藍光，來重建中微子的能量、方向和類型。


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動時會發(fā)光。（圖：KM3NeT合作組）

破紀錄的探測

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

更引人注目的是，這個 μ 子的入射方向極為特殊。通常，μ 子由宇宙線撞擊地球大氣層產(chǎn)生，因此大多數(shù)是自上而下進入探測器的。而這次，KM3NeT 發(fā)現(xiàn)的 μ 子幾乎是沿著地平線橫向穿入。這一現(xiàn)象表明，它并非由宇宙線直接產(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入地球，穿過地中海并掠過馬耳他大陸架，其運動方向與地平線夾角僅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 220 PeV。這個數(shù)字究竟有多驚人？它比太陽核心普通粒子的能量高100萬億倍，比醫(yī)用X射線高一萬億倍，比最強放射性粒子的能量高100億倍！

這是人類探測到的最高能量中微子，突破了之前所有觀測紀錄。

它來自何方？

如此高能的中微子究竟是如何產(chǎn)生的？科學家目前有幾種猜測：它可能起源于超新星爆發(fā)、伽馬射線暴或活動星系核等劇烈的宇宙事件；也有可能是特高能宇宙線在宇宙空間穿行時，撞擊了遍布整個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。研究人員還無法確定它的真正起源，但未來更多的觀測將幫助我們逐步解開謎底。

目前，KM3NeT 仍在擴建中，我們完全可以期待，它將帶來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?創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者名稱：沈雯
審核：張雙南 中國科學院高能物理研究所研究員
出品：中國科協(xié)科普部
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來源: 科普中國創(chuàng)作培育計劃

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