天文學(xué)家使用仍在地中海海底建造的巨大傳感器網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了有史以來(lái)檢測(cè)到的能量最高的宇宙“幽靈粒子”中微子。

這些來(lái)自太空的微小、高能粒子通常被稱為“幽靈”，因?yàn)樗鼈儤O易揮發(fā)或蒸氣，并且可以穿過任何類型的物質(zhì)而不會(huì)發(fā)生變化。中微子從宇宙的遙遠(yuǎn)處到達(dá)地球，幾乎沒有質(zhì)量。這些粒子穿過最極端的環(huán)境，包括恒星、行星和整個(gè)星系，但它們的結(jié)構(gòu)仍然完好無(wú)損。

由包括來(lái)自世界各地的360多名科學(xué)家在內(nèi)的KM3NeT合作組織撰寫的中微子分析周三發(fā)表在《自然》雜志上。

“中微子是特殊的宇宙信使，為我們帶來(lái)了有關(guān)最能量現(xiàn)象所涉及的機(jī)制的獨(dú)特信息，并使我們能夠探索宇宙最遙遠(yuǎn)的地方，“該研究的合著者、KM3NeT副發(fā)言人兼意大利INFN國(guó)家核物理研究所研究員Rosa Coniglione在一份聲明中說(shuō)。

這個(gè)破紀(jì)錄的中微子被命名為KM3-230213A，能量為2.2億電子伏特。據(jù)研究作者稱，這個(gè)驚人的數(shù)量使其比瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)粒子加速器的威力高出約30000倍，該加速器以將粒子增壓到接近光速而聞名。

“我喜歡用一種方式來(lái)思考這個(gè)問題，這個(gè)中微子的能量相當(dāng)于分裂不是一個(gè)鈾原子、十個(gè)這樣的原子，甚至不是一百萬(wàn)個(gè)鈾原子所釋放的能量，”該研究的合著者布拉德·吉布森博士在一封電子郵件中說(shuō)，“這個(gè)小中微子的能量與分裂10億個(gè)鈾原子釋放的能量一樣多，當(dāng)我們把核裂變反應(yīng)堆的能量與這個(gè)單一的空靈中微子進(jìn)行比較時(shí)，這是一個(gè)令人難以置信的數(shù)字?！?/p>

該粒子提供了一些初步證據(jù)，證明這種高能中微子可以在宇宙中產(chǎn)生。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為中微子來(lái)自銀河系之外，但他們尚未確定其確切的起源點(diǎn)，這就提出了一個(gè)問題，即最初是什么創(chuàng)造了中微子并讓它飛越宇宙——也許是超大質(zhì)量黑洞、伽馬射線暴或超新星殘骸等極端環(huán)境。

這項(xiàng)研究的合著者、KM3NeT發(fā)言人、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心–馬賽物理中心研究員Paschal Coyle說(shuō)，這項(xiàng)開創(chuàng)性的探測(cè)開啟了中微子天文學(xué)的新篇章，也是進(jìn)入宇宙的新觀測(cè)窗口。

“KM3NeT已經(jīng)開始探測(cè)一系列能量和靈敏度，其中檢測(cè)到的中微子可能來(lái)自極端的天體物理現(xiàn)象，”Coyle說(shuō)。

中微子很難檢測(cè)到，因?yàn)樗鼈儾唤?jīng)常與周圍環(huán)境相互作用——但它們確實(shí)會(huì)與冰和水相互作用。當(dāng)中微子直接與探測(cè)器相互作用時(shí)，它們會(huì)發(fā)出藍(lán)色的光，這種光可以被附近的嵌入冰中或漂浮在水中的數(shù)字光學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到。

例如，位于南極的IceCube中微子天文臺(tái)包括一個(gè)由嵌入南極冰層的5000多個(gè)傳感器組成的網(wǎng)格。該探測(cè)器自2011年以來(lái)一直在運(yùn)行，并發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)中微子?？茖W(xué)家們已經(jīng)能夠?qū)⑵渲幸恍┬窍底匪莸剿鼈兊挠钪鎭?lái)源，例如blazar或活躍星系的明亮核心。

一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在2010年代初構(gòu)思了一個(gè)探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)的想法——被稱為立方公里中微子望遠(yuǎn)鏡，或KM3NeT——它可能能夠捕捉到深海中的中微子。網(wǎng)絡(luò)安裝于2015年開始。

KM3NeT于2023年2月13日破紀(jì)錄地探測(cè)到，當(dāng)時(shí)該粒子點(diǎn)亮了它的兩個(gè)探測(cè)器中的一個(gè)ARCA或深淵宇宙學(xué)的天體粒子研究位于 3450米的深度，而ORCA，或深淵宇宙學(xué)的振蕩研究，位于地中海底部2450米的深度。

ARCA探測(cè)器位于意大利帕塞羅角附近的西西里海岸附近，旨在捕捉高能中微子，而位于法國(guó)東南部土倫附近的ORCA則致力于尋找低能中微子。

KM3NeT包括一個(gè)固定在海床上的傳感器網(wǎng)格，仍在建設(shè)中。但研究作者說(shuō)，已經(jīng)有足夠的探測(cè)器來(lái)探測(cè)到高能中微子。

當(dāng)粒子在整個(gè)望遠(yuǎn)鏡中追蹤幾乎水平的路徑時(shí)，ARCA探測(cè)器在運(yùn)行時(shí)僅完成了10%的計(jì)劃組件，在超過三分之一的有源傳感器中觸發(fā)了信號(hào)。探測(cè)器記錄了帶電粒子產(chǎn)生的超過 28000個(gè)光子。

如果中微子內(nèi)的能量被轉(zhuǎn)換為我們理解日常物體，它將相當(dāng)于0.04焦耳，或者一個(gè)乒乓球的能量從1米的高度掉落，該研究的合著者、KM3NeT的物理協(xié)調(diào)員、荷蘭國(guó)家亞原子物理研究所（NIKHEF）、荷蘭的阿姆斯特丹大學(xué)教授Aart Heijboer說(shuō)。

他說(shuō)，這個(gè)量可以為一個(gè)小LED燈供電約1秒鐘?！耙虼?，對(duì)于日常物體來(lái)說(shuō)，它并不是大量的能量，但與日常世界的這種類比甚至是可能的，這一事實(shí)本身就很了不起。所有這些能量都包含在一個(gè)單一的基本粒子中，“Heijboer在一封電子郵件中說(shuō)。

據(jù)研究作者稱，在粒子尺度上，中微子被認(rèn)為是超高能的，其能量大約是可見光光子的10億倍到1億倍。

探測(cè)地球上的中微子使研究人員能夠追溯到它們的來(lái)源。了解這些粒子的來(lái)源可以更多地了解神秘宇宙射線的起源，長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為這是射線撞擊地球大氣層時(shí)中微子的主要來(lái)源。

宇宙射線是宇宙中能量最高的粒子，從太空轟擊地球。這些射線主要由質(zhì)子或原子核組成，它們被釋放到宇宙中，因?yàn)楫a(chǎn)生它們的任何東西都是如此強(qiáng)大的粒子加速器，以至于它使大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的能力相形見絀。中微子可以告訴天文學(xué)家宇宙射線來(lái)自哪里，以及是什么將它們發(fā)射到宇宙中。

研究人員認(rèn)為，新發(fā)現(xiàn)的中微子是某種強(qiáng)大的東西釋放出來(lái)的，例如伽馬射線暴或宇宙射線與宇宙微波背景的光子相互作用，這是138億年前大爆炸遺留下來(lái)的輻射。

在研究過程中，作者還確定了12個(gè)可能負(fù)責(zé)產(chǎn)生中微子的潛在blazar。根據(jù)探測(cè)器收集的數(shù)據(jù)以及來(lái)自伽馬射線、X射線和射電望遠(yuǎn)鏡的交叉引用數(shù)據(jù)，這些blazar與粒子的估計(jì)飛行方向兼容。 但還需要更多的研究。

“許多宇宙-中微子探測(cè)未能顯示出與編目天體的強(qiáng)相關(guān)性，可能表明源群離地球非常遙遠(yuǎn)，或者暗示了一種尚未被發(fā)現(xiàn)的天體物理天體類型，”馬里蘭大學(xué)帕克分校物理系的研究科學(xué)家和粒子天體物理學(xué)家Erik K. Blaufuss在隨附的一篇文章中說(shuō)。Blaufuss沒有參與這項(xiàng)研究。

“盡管全面了解這一事件的起源需要時(shí)間，但對(duì)KM3NeT來(lái)說(shuō)，這仍然是一個(gè)非凡的歡迎信息，”他說(shuō)。