首次捕捉到最高能中微子！比醫用X射線高1萬億倍

2025年2月12日，發表在《自然》雜誌的一項研究揭示了一個前所未有的宇宙事件：科學家們利用位於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百 PeV 的中微子，爲中微子天文學揭開了全新的篇章。

那麼，中微子究竟是什麼？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，與電子屬於同一類，但它不帶電荷。地球上的核反應堆、太陽的核聚變、宇宙中的恆星死亡，都會產生大量中微子。它是宇宙中僅次於光子的第二常見粒子，然而，由於中微子幾乎不會與物質發生相互作用，因此常被稱爲“幽靈粒子”。中微子的這種特性使它們可以輕易穿透數千千米的岩石、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探測到了迄今爲止能量最高的中微子。（圖/Edward Berbee, Nikhef）

深海中的中微子捕手

爲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。深海的環境既能阻擋干擾信號，又能利用海水作爲探測介質，使望遠鏡專注於尋找中微子蹤跡。

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生相互作用時，會產生帶電粒子，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生的帶電粒子在介質中以比光更快的速度運動時會發光。（圖：KM3NeT合作組）

破紀錄的探測

2023年2月13日，KM3NeT 位於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 子的入射方向極爲特殊。通常，μ 子由宇宙線撞擊地球大氣層產生，因此大多數是自上而下進入探測器的。而這次，KM3NeT 發現的 μ 子幾乎是沿着地平線橫向穿入。這一現象表明，它並非由宇宙線直接產生，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，穿過地中海並掠過馬耳他大陸架，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生的？科學家目前有幾種猜測：它可能起源於超新星爆發、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，撞擊了遍佈整個宇宙的宇宙微波背景輻射，從而產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