2025年2月12日，发表在《自然》杂志的一项研究揭示了一个前所未有的宇宙事件：科学家们利用位于地中海深处的立方千米中微子望远镜（KM3NeT），探测到了一个能量高达 220 PeV（百万亿电子伏）的中微子。这是人类首次捕捉到能量达数百 PeV 的中微子，为中微子天文学揭开了全新的篇章。

那么，中微子究竟是什么？KM3NeT 又是如何捕捉到这个破纪录的中微子？如此高能的粒子又来自何方？

宇宙中的幽灵粒子

中微子是一种基本粒子，与电子属于同一类，但它不带电荷。地球上的核反应堆、太阳的核聚变、宇宙中的恒星死亡，都会产生大量中微子。它是宇宙中仅次于光子的第二常见粒子，然而，由于中微子几乎不会与物质发生相互作用，因此常被称为“幽灵粒子”。中微子的这种特性使它们可以轻易穿透数千千米的岩石、海水，甚至整个地球。

就像光子和引力波一样，中微子也是宇宙“信使”。每一个被捕捉到的中微子，都是宇宙在向我们传递的一条宇宙信息。

在3000多米深处，KM3NeT探测到了迄今为止能量最高的中微子。（图/Edward Berbee, Nikhef）
深海中的中微子捕手

为了捕捉和研究中微子，来自 21 个国家的 300 多名科学家和工程师在地中海深处建造了KM3NeT。深海的环境既能阻挡干扰信号，又能利用海水作为探测介质，使望远镜专注于寻找中微子踪迹。

KM3NeT实验包含了两组探测器阵列，每个阵列都由垂直的探测线组成。目前，在计划安装的345条探测线中，已有约50条投入使用，每条探测线均配备18个球形光学传感器模块。

当中微子罕见地与水分子发生相互作用时，会产生带电粒子，这些粒子在水中的传播速度超过水中的光速，从而发出切连科夫辐射——一种淡蓝色的闪光。KM3NeT 正是通过捕捉这些蓝光，来重建中微子的能量、方向和类型。

中微子与水分子相互作用产生的带电粒子在介质中以比光更快的速度运动时会发光。（图：KM3NeT合作组）

破纪录的探测

2023年2月13日，KM3NeT 位于意大利西西里岛附近的探测器记录到了一次极其特殊的事件——一个能量高达 120 PeV 的 μ 子

更引人注目的是，这个 μ 子的入射方向极为特殊。通常，μ 子由宇宙线撞击地球大气层产生，因此大多数是自上而下进入探测器的。而这次，KM3NeT 发现的 μ 子几乎是沿着地平线横向穿入。这一现象表明，它并非由宇宙线直接产生，而是由高能中微子撞击深海中的粒子所生成。

高能中微子从宇宙中进入地球，穿过地中海并掠过马耳他大陆架，其运动方向与地平线夹角仅0.6度。（图：KM3NeT合作组）

研究人员利用模型推算出，这颗中微子的能量高达 220 PeV。这个数字究竟有多惊人？它比太阳核心普通粒子的能量高100万亿倍，比医用X射线高一万亿倍，比最强放射性粒子的能量高100亿倍！

这是人类探测到的最高能量中微子，突破了之前所有观测纪录。

它来自何方？

如此高能的中微子究竟是如何产生的？科学家目前有几种猜测：它可能起源于超新星爆发、伽马射线暴或活动星系核等剧烈的宇宙事件；也有可能是特高能宇宙线在宇宙空间穿行时，撞击了遍布整个宇宙的宇宙微波背景辐射，从而产生了超高能量的中微子。研究人员还无法确定它的真正起源，但未来更多的观测将帮助我们逐步解开谜底。

目前，KM3NeT 仍在扩建中，我们完全可以期待，它将带来更多令人意想不到的宇宙惊喜。

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

本文为科普中国•创作培育计划扶持作品
作者名称：沈雯
审核：张双南 中国科学院高能物理研究所研究员
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划

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