破紀錄中微子開啟「宇宙新能量窗口」
Record-setting neutrino opens ‘new energy window on the universe’
12 FEB 2025 11:00 AM ETBYDANIEL CLERY
f t地中海上方3.5公里處的一道亮光標誌著一個破紀錄的宇宙訪客：一種能量比先前記錄高出30倍的中微子。雖然研究人員無法確定這個難以捉摸的粒子來自何處，但其檢測結果讓更多類似粒子即將被捕獲的希望升高，這些粒子可能帶有關於宇宙中最暴力事件的一些線索。
馬賽粒子物理中心的物理學家科伊爾表示：「我們已經打開了宇宙的新能量窗口。」他過去曾是立方公里中微子望遠鏡（KM3NeT）的發言人，該望遠鏡於2023年2月13日在《自然》雜誌上報導了這項事件。「這是首次在這種能量水平上進行天文學研究成為可能。」
慕尼黑工業大學的物理學家雷斯康尼也表示：「這非常令人興奮。」
中微子是許多核反應的副產品，以接近光速的速度穿過太空，幾乎不與正常物質相互作用，也不受磁場影響。與宇宙射線——其路徑會因宇宙中的磁場而彎曲的帶電粒子不同——中微子沿著直線軌跡行進。基於它們到達的方向，物理學家希望能夠追蹤能量最高的那些回到宇宙中最暴力的地方，並解決關於它們起源的理論。
物理學家可以透過觀察中微子在大塊冰或水中與原子核極其罕見的碰撞來檢測它們。這些碰撞會產生其他粒子，如電子或較重的類似物μ子，當它們被水或冰減速時會發出藍色光錐。通過一組光探測器確定的光錐形狀、亮度和方向，物理學家可以估算原始中微子的方向和能量。
IceCube是一個由美國支持的探測器，監控位於南極點下方1.5公里處的一立方公里冰塊，已經檢測到大量的中微子，其中包括一些能量超過100萬億電子伏特（PeV）的中微子——這比世界上功率最大的加速器大型強子對撞機中的碰撞能量高出數百倍。其中有一些被追溯到了活躍銀河核（AGNs）——遠處的星系，這些星系主導著巨大的黑洞，以極快的速度吞噬物質並噴射出粒子和能量。
KM3NeT是一個位於法國和西西里島沿岸的地中海地區的歐洲項目，它依賴於水來進行檢測。最終，該項目將在水中懸浮超過200根球形光探測器串，並固定在海底。2023年初，當西西里陣列僅完成10%時，一個粒子水平穿過距離表面3.5公里的陣列，探測器被光線淹沒。科伊爾說：「這對我們來說是一個驚喜，起初我們不相信它。」但所有多項檢查都通過了。
研究小組現在相信，這個穿過的粒子是由一個中微子引發的μ子，該中微子可能在數十公里外擊中海水或岩石中的原子。「依我之見，這是一個由中微子引起的事件，非常有說服力，」雷斯科尼說。他正在領導一個努力，在加拿大西海岸建造另一個基於水的中微子探測器P-ONE。KM3NeT團隊估計原始中微子的能量達到破紀錄的220 PeV。
由於KM3NeT團隊尚未部署用於確定陣列位置和方向的系統，因此無法精確追蹤中微子以識別潛在來源。但現在已完成16%的陣列，預計未來5年內將完成建設，定位系統也計劃在今年晚些時候部署。如果能夠找到並追蹤更多這樣的超高能中微子，它們可能會揭示宇宙中最強大的粒子加速器的位置。
活躍銀河核（AGNs）是一個候選來源：如果超大質量黑洞高度磁化，其旋轉的磁場可以將粒子如質子或小原子核加速到極高的速度。當這些所謂的宇宙射線逃逸時，它們可能會與其他移動較慢的粒子碰撞，產生中微子。
一些理論學家認為還有其他更短暫的瞬態事件，例如超新星爆炸、中子星合併或潮汐瓦解事件，在後者中，超大質量黑洞撕裂了一顆恆星。「現在有極強有力的證據表明，最高能量的宇宙射線——這將是這種現象來源的候選者——是在瞬態事件中產生的，」紐約大學理論學家葛倫妮絲·法拉說。未來，KM3NeT將部署一個系統，在檢測到高能中微子後短短20秒內通知其他觀察者可能的來源位置，以便他們可以追蹤那裡的瞬態事件。
對於這種高能中微子來源的一個更具挑戰性的想法是，它們來自宇宙射線與宇宙微波背景中的光子碰撞，這是大爆炸後普遍存在的餘暉。此前從未有人觀察到這樣的「宇宙生成」中微子，但如果KM3NeT將其來源放大並發現一片空無一物的空間，就可以推斷出這種中微子的存在。KM3NeT團隊認為這可能解釋了該中微子的極端能量。法拉懷疑天文物理學界會對這個想法非常感興趣，即使目前還無法證明。
興奮確實是普遍的反應。「我們正在處理的是科學的前沿領域，」德雷塞爾大學冰立方團隊成員、物理學家倉橋尼爾森說。「我們開始了解它，這就像黎明前的曙光，對吧？」