在深海发现能量惊人的幽灵粒子！

2023年2月13日，位于地中海海底的立方千米中微子望远镜（KM3NeT）探测到了迄今为止能量最高的中微子。这一超高能中微子事件被记录为KM3-230213A。2025年2月12日，KM3NeT合作组正式在《自然》杂志上发表了这一发现。

位于深海的探测器

KM3NeT是一项由21个国家的300多名科学家和工程师共同建造的大规模深海实验。它由两组深海光学传感器探测阵列组成：

• ARCA：位于意大利西西里岛的海岸附近的3450深处，主要用于高能天体物理研究。

• ORCA：位于法国沿海海域的2350深处，主要研究中微子振荡。

KM3NeT在海底的艺术构想图。（图/Edward Berbee, Nikhef）

这两个探测阵列都由垂直的检测线组成，这些检测线固定在海底，并按网格排列。目前，在计划安装的345条检测线中，已有约50条投入使用，每条检测线均配备18个球形光学传感器模块。

当全部建成后，KM3NeT将由 6000多个这样的传感器悬挂在深海中，探测范围覆盖约一立方千米的海域。

图片显示研究人员正在实验室中校准一个球形光学传感器模块。（图/N Busser / CNRS）

探测中微子

中微子是一种质量极小、不带电荷的基本粒子。由于它们与物质的相互作用极其微弱，因此它们可以轻易穿透数千千米的海水，甚至整个地球，几乎不会留下任何痕迹。因此，中微子常被称为“幽灵粒子”。在已知的所有粒子中，也只有中微子能够抵达深海中的KM3NeT探测器。

KM3NeT所处的深海环境不仅可以屏蔽普通光源，还能阻挡电子、质子等高能粒子，使望远镜能够专注于中微子探测。

由于中微子几乎不与物质相互作用，因此大多数中微子都会毫无痕迹地穿过探测器。但在极罕见的情况下，中微子会直接撞击水分子，释放出能量。这种能量会激发次级粒子，而这些次级粒子在水中高速运动时，会发出蓝色切连科夫辐射，能够被KM3NeT的探测器捕捉到。

当高能粒子穿过KM3NeT时，探测器会记录下蓝色闪光。科学家可以据此计算出粒子的运动速度及来源方向。（图/KM3NeT）

通过分析这些蓝色闪光，并精确测定其时间，科学家可以重建中微子的初始能量及其来源方向。

最高能事件

2023年2月13日，位于意大利站点的KM3NeT探测到一个高能量事件。

当时ARCA探测器阵列记录到一个极高能量的µ子，并计算出这个µ子的能量约高达120拍电子伏特（1 PeV = 1 × 10¹⁵eV），这一数值远超此前的探测记录。

不仅如此，该粒子的来源方向也极为特殊。通常，µ子由宇宙线撞击地球大气产生，因此大多数µ子是自上而下进入探测器的。然而，这次探测到的µ子却来自西方低角度，几乎沿地平线进入。

研究人员认为，这种高能量+低角度的特征表明，该µ子并非由宇宙线产生，而是由中微子撞击深海中的原子后产生的。换句话说，这一事件的真正主角是中微子。

由于中微子的能量无法直接测量，研究人员根据模型推算，该中微子的能量约为 220 PeV。这个能量究竟有多大呢？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，比最强放射性粒子高100亿倍。而即使是地球上最强大的粒子加速器，也无法产生能量达到该粒子万分之一的粒子。

简而言之，这是一颗极端高能的宇宙来客。

宇宙中的中微子

中微子与物质的相互作用极其微弱，那么它们是如何被赋予如此巨大的能量的？究竟是什么样的宇宙事件能创造出这样的粒子？

答案是：我们仍不知道。

但我们知道，一些极端天体物理现象可能是潜在的宇宙中微子来源：

• 超新星爆炸 —— 当一颗恒星燃料耗尽并发生坍缩时，会释放出极高能量的中微子。

• 伽马射线暴 —— 由超大质量恒星爆炸或中子星碰撞引发，也可能是高能中微子的来源。

此外，还有一些其他可能性：

• 活动星系核 —— 在某些星系的中心存在超大质量黑洞，其质量是太阳的数百万到数十亿倍。当黑洞吞噬物质时，会将粒子加速至极限速度，并在强磁场作用下喷射出高能粒子。

• 宇宙线碰撞 —— 爆炸性天体事件和活动星系核还会产生宇宙线（高能质子和电子）。这些宇宙线在穿越宇宙时，可能与光子发生碰撞，从而产生极高能量的中微子。

追踪源头

那么，如何才能找到源头？

KM3NeT确定，该中微子来自南半球天空的某个特定区域。如果它源自于一场剧烈的宇宙爆炸或活动星系核，那么研究人员应该能用其他类型的望远镜追踪它的来源，尤其是射电望远镜，因为超新星遗迹和活跃星系核往往会发出射电信号。

现在，研究人员正在利用澳大利亚平方千米阵探路者（ASKAP）追踪KM3NeT探测到的信号。不过，他们尚未在射电波段找到明显的候选来源。

迈向宇宙极限的探索

这一发现标志着人类在探索极端宇宙的未知领域迈出了重要一步。

KM3NeT仍在扩建，ASKAP仍在持续观测，科学家们对宇宙极端现象的探索才刚刚开始。未来，我们或许会发现更令人震撼的天文奇观。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图：Edward Berbee, Nikhef

首图：KM3NeT