2023年2月13日，位于地中海海底的立方千米中微子望遠(yuǎn)鏡（KM3NeT）探測到了迄今為止能量最高的中微子。這一超高能中微子事件被記錄為KM3-230213A。2025年2月12日，KM3NeT合作組正式在《自然》雜志上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

位于深海的探測器

KM3NeT是一項(xiàng)由21個(gè)國家的300多名科學(xué)家和工程師共同建造的大規(guī)模深海實(shí)驗(yàn)。它由兩組深海光學(xué)傳感器探測陣列組成：

• ARCA：位于意大利西西里島的海岸附近的3450深處，主要用于高能天體物理研究。

• ORCA：位于法國沿海海域的2350深處，主要研究中微子振蕩。

KM3NeT在海底的藝術(shù)構(gòu)想圖。（圖/Edward Berbee, Nikhef）

這兩個(gè)探測陣列都由垂直的檢測線組成，這些檢測線固定在海底，并按網(wǎng)格排列。目前，在計(jì)劃安裝的345條檢測線中，已有約50條投入使用，每條檢測線均配備18個(gè)球形光學(xué)傳感器模塊。

當(dāng)全部建成后，KM3NeT將由 6000多個(gè)這樣的傳感器懸掛在深海中，探測范圍覆蓋約一立方千米的海域。

圖片顯示研究人員正在實(shí)驗(yàn)室中校準(zhǔn)一個(gè)球形光學(xué)傳感器模塊。（圖/N Busser / CNRS）

探測中微子

中微子是一種質(zhì)量極小、不帶電荷的基本粒子。由于它們與物質(zhì)的相互作用極其微弱，因此它們可以輕易穿透數(shù)千千米的海水，甚至整個(gè)地球，幾乎不會留下任何痕跡。因此，中微子常被稱為“幽靈粒子”。在已知的所有粒子中，也只有中微子能夠抵達(dá)深海中的KM3NeT探測器。

KM3NeT所處的深海環(huán)境不僅可以屏蔽普通光源，還能阻擋電子、質(zhì)子等高能粒子，使望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)Ｗ⒂?strong>中微子探測。

由于中微子幾乎不與物質(zhì)相互作用，因此大多數(shù)中微子都會毫無痕跡地穿過探測器。但在極罕見的情況下，中微子會直接撞擊水分子，釋放出能量。這種能量會激發(fā)次級粒子，而這些次級粒子在水中高速運(yùn)動時(shí)，會發(fā)出藍(lán)色切連科夫輻射，能夠被KM3NeT的探測器捕捉到。

當(dāng)高能粒子穿過KM3NeT時(shí)，探測器會記錄下藍(lán)色閃光。科學(xué)家可以據(jù)此計(jì)算出粒子的運(yùn)動速度及來源方向。（圖/KM3NeT）

通過分析這些藍(lán)色閃光，并精確測定其時(shí)間，科學(xué)家可以重建中微子的初始能量及其來源方向。

最高能事件

2023年2月13日，位于意大利站點(diǎn)的KM3NeT探測到一個(gè)高能量事件。

當(dāng)時(shí)ARCA探測器陣列記錄到一個(gè)極高能量的μ子，并計(jì)算出這個(gè)μ子的能量約高達(dá)120拍電子伏特（1 PeV = 1 × 101?eV），這一數(shù)值遠(yuǎn)超此前的探測記錄。

不僅如此，該粒子的來源方向也極為特殊。通常，μ子由宇宙線撞擊地球大氣產(chǎn)生，因此大多數(shù)μ子是自上而下進(jìn)入探測器的。然而，這次探測到的μ子卻來自西方低角度，幾乎沿地平線進(jìn)入。

研究人員認(rèn)為，這種高能量+低角度的特征表明，該μ子并非由宇宙線產(chǎn)生，而是由中微子撞擊深海中的原子后產(chǎn)生的。換句話說，這一事件的真正主角是中微子。

由于中微子的能量無法直接測量，研究人員根據(jù)模型推算，該中微子的能量約為 220 PeV。這個(gè)能量究竟有多大呢？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(qiáng)放射性粒子高100億倍。而即使是地球上最強(qiáng)大的粒子加速器，也無法產(chǎn)生能量達(dá)到該粒子萬分之一的粒子。

簡而言之，這是一顆極端高能的宇宙來客。

宇宙中的中微子

中微子與物質(zhì)的相互作用極其微弱，那么它們是如何被賦予如此巨大的能量的？究竟是什么樣的宇宙事件能創(chuàng)造出這樣的粒子？

答案是：我們?nèi)圆恢馈?/strong>

但我們知道，一些極端天體物理現(xiàn)象可能是潛在的宇宙中微子來源：

• 超新星爆炸 —— 當(dāng)一顆恒星燃料耗盡并發(fā)生坍縮時(shí)，會釋放出極高能量的中微子。

• 伽馬射線暴 —— 由超大質(zhì)量恒星爆炸或中子星碰撞引發(fā)，也可能是高能中微子的來源。

此外，還有一些其他可能性：

• 活動星系核 —— 在某些星系的中心存在超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬到數(shù)十億倍。當(dāng)黑洞吞噬物質(zhì)時(shí)，會將粒子加速至極限速度，并在強(qiáng)磁場作用下噴射出高能粒子。

• 宇宙線碰撞 —— 爆炸性天體事件和活動星系核還會產(chǎn)生宇宙線（高能質(zhì)子和電子）。這些宇宙線在穿越宇宙時(shí)，可能與光子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生極高能量的中微子。

追蹤源頭

那么，如何才能找到源頭？

KM3NeT確定，該中微子來自南半球天空的某個(gè)特定區(qū)域。如果它源自于一場劇烈的宇宙爆炸或活動星系核，那么研究人員應(yīng)該能用其他類型的望遠(yuǎn)鏡追蹤它的來源，尤其是射電望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)槌滦沁z跡和活躍星系核往往會發(fā)出射電信號。

現(xiàn)在，研究人員正在利用澳大利亞平方千米陣探路者（ASKAP）追蹤KM3NeT探測到的信號。不過，他們尚未在射電波段找到明顯的候選來源。

邁向宇宙極限的探索

這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類在探索極端宇宙的未知領(lǐng)域邁出了重要一步。

KM3NeT仍在擴(kuò)建，ASKAP仍在持續(xù)觀測，科學(xué)家們對宇宙極端現(xiàn)象的探索才剛剛開始。未來，我們或許會發(fā)現(xiàn)更令人震撼的天文奇觀。

#參考來源：

https://theconversation.com/3-5-kilometres-underwater-scientists-found-a-staggeringly-energetic-particle-from-outer-space-249590

https://physics.aps.org/articles/v18/35

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

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00444-1

https://theconversation.com/how-our-team-spotted-the-most-energetic-neutrino-detected-to-date-249519

#圖片來源：

封面圖：Edward Berbee, Nikhef

首圖：KM3NeT