能量比X射線強(qiáng)萬(wàn)億倍，它可能正在穿過(guò)你的身體

近日，《自然》雜志發(fā)表了一項(xiàng)重磅科研成果：歐洲立方千米中微子望遠(yuǎn)鏡（KM3NeT）合作組利用位于地中海的深海中微子望遠(yuǎn)鏡，成功****觀測(cè)到一個(gè)迄今已知能量最高的中微子事例。這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了人類對(duì)中微子能量極限的認(rèn)識(shí)，也為探索宇宙高能天體物理現(xiàn)象提供了新的線索。

問(wèn)題來(lái)了：中微子是什么？這次發(fā)現(xiàn)的中微子能量有多高？科學(xué)家又是如何發(fā)現(xiàn)它的？

中微子：宇宙中的“幽靈”

在粒子物理學(xué)中，構(gòu)成物質(zhì)的最小單元被稱為基本粒子，例如夸克和電子。中微子就是一種極為特殊的基本粒子，它的質(zhì)量極小，且呈電中性，只能通過(guò)弱相互作用與其他物質(zhì)發(fā)生作用。因此，中微子幾乎不會(huì)被其他物質(zhì)吸收，也不會(huì)在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以常被形象地稱為**“幽靈粒子”**。

物理學(xué)中，中微子是一種基本粒子

自然界中的中微子主要來(lái)源于超新星核心的坍縮、太陽(yáng)和恒星的核聚變等高能物理過(guò)程。由于中微子幾乎不與其他物質(zhì)反應(yīng)，它們可以幾乎不受阻擋地直線穿過(guò)物質(zhì)，這使得它們的運(yùn)動(dòng)方向能夠保留源頭的關(guān)鍵信息。因此，研究中微子對(duì)于理解物質(zhì)和能量之間的相互作用，以及揭示宇宙演化奧秘具有重大的意義。

既然中微子與物質(zhì)的相互作用極為微弱，那我們又該如何發(fā)現(xiàn)這種“幽靈粒子”的存在呢？為了追蹤中微子的蹤跡，物理學(xué)家建造了多種大型探測(cè)器，立方千米中微子望遠(yuǎn)鏡（Cubic Kilometre Neutrino Telescope ，簡(jiǎn)稱為KM3NeT）便是其中之一。

海底深處的探測(cè)器

**KM3NeT由兩個(gè)位于地中海深處的大型探測(cè)器陣列ARCA和ORCA組成。**此次發(fā)現(xiàn)高能中微子的ARCA探測(cè)器位于意大利西西里島附近，深度約為3450米。ARCA的主體由21條長(zhǎng)達(dá)700米、間隔100米的垂直探測(cè)線構(gòu)成，每條探測(cè)線上的18個(gè)探測(cè)單元通過(guò)浮力保持垂直，形成了一個(gè)大型的三維光學(xué)陣列。

你可能會(huì)產(chǎn)生很多疑問(wèn)：物理學(xué)家為什么要把探測(cè)器放在這么深的海底？又為什么要設(shè)計(jì)成如此龐大的陣列呢？

這要從探測(cè)中微子的原理說(shuō)起。盡管中微子幾乎不與物質(zhì)相互作用，但仍有極小的概率與水分子中的原子核發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生帶電粒子。當(dāng)這些粒子在水中的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)光在水中傳播的速度時(shí)，它們就會(huì)以一種名為切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）的形式釋放能量。科學(xué)家接收和分析切倫科夫輻射所產(chǎn)生的光信號(hào)，進(jìn)而重建發(fā)生反應(yīng)的中微子的軌跡和能量。

中微子與水分子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的帶電粒子在水中發(fā)出切倫科夫輻射（用圓錐表示）

在數(shù)千米深的海底，**水體巨大且穩(wěn)定，**這為探測(cè)器提供了足夠的探測(cè)體積，可以確保累計(jì)足量可靠的中微子事件。此外，深海環(huán)境能夠有效屏蔽來(lái)自其他光源和高能粒子的干擾信號(hào)。同時(shí)，**海水具有良好的透明度，**能夠有效傳播切倫科夫輻射，從而提高光信號(hào)的接收效率。

海底的探測(cè)單元

ARCA探測(cè)器覆蓋約一立方千米的海域，配置超過(guò)10萬(wàn)個(gè)用于接收切倫科夫輻射信號(hào)的光電倍增管，這種大規(guī)模的陣列進(jìn)一步顯著提高了中微子事件的探測(cè)概率。并列的垂直探測(cè)線形成了三維探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，使得探測(cè)器能夠從多個(gè)角度和方向探測(cè)中微子，從而更準(zhǔn)確地確定中微子的軌跡和來(lái)源。

迄今已知能量最高的中微子

2023年2月13日，KM3NeT的ARCA探測(cè)器記錄到了一個(gè)異常高能的中微子事件，編號(hào)為KM3-230213A。這一事件中，探測(cè)器記錄到了一個(gè)能量約120拍電子伏特（PeV，1PeV = 1015eV）的μ子?？茖W(xué)家由此推算，在反應(yīng)中產(chǎn)生這個(gè)μ子的中微子能量約為220PeV，這是人類歷史上迄今為止觀測(cè)到的能量最高的中微子。

電子伏特（eV）定義為一個(gè)電子在1伏特（V）的電勢(shì)差中獲得或失去的能量，和國(guó)際單位制中的能量單位焦耳（J）的換算關(guān)系為1 eV=1.602×10-19J。

探測(cè)器發(fā)現(xiàn)高能中微子事件的示意圖

藍(lán)色直線表示粒子的重建軌跡，圓錐表示切倫科夫輻射，探測(cè)單元的顏色表示信號(hào)探測(cè)時(shí)間的早晚

在此之前，人類探測(cè)到的最高能的中微子能量是6.05PeV，這一記錄由位于南極的冰立方天文臺(tái)（IceCube）于2020年創(chuàng)造。而KM3NeT的最新發(fā)現(xiàn)則直接將中微子能量的最高記錄提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

這個(gè)中微子的能量究竟有多大呢？我們可以選取一些常見(jiàn)的粒子或射線的能量來(lái)進(jìn)行對(duì)比：醫(yī)院CT檢查使用X光，其能量一般為100keV；核裂變反應(yīng)堆中產(chǎn)生伽馬射線，其能量通常不超過(guò)10MeV；大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中加速質(zhì)子束，其能量大約為13TeV。與這些能量相比，此次發(fā)現(xiàn)的中微子的能量分別大約是它們的萬(wàn)億倍、千億倍和一萬(wàn)倍。

電磁波波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的能量

不同波長(zhǎng)范圍的X光有相應(yīng)的應(yīng)用范圍

X光和伽馬射線的能量與高能中微子相比竟然極其懸殊，可能會(huì)有人對(duì)此產(chǎn)生擔(dān)憂：這么高能量的中微子，如果穿過(guò)人體，是否會(huì)對(duì)人體造成傷害呢？

事實(shí)上，**自然界中彌漫有大量的中微子，每秒鐘約有6.5×1014個(gè)中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體，**其中也可能含有來(lái)自宇宙深處的高能中微子。幸好，由于中微子與物質(zhì)的相互作用極其微弱，它們能夠輕松穿透人體而不會(huì)引起任何生物學(xué)上的變化。因此，我們完全不需要擔(dān)心高能中微子對(duì)人體的潛在危害。

每時(shí)每刻都有大量中微子穿過(guò)我們的身體，但不會(huì)對(duì)人體造成危害。

未來(lái)展望

此次KM3NeT發(fā)現(xiàn)的超高能中微子事件讓人類對(duì)中微子能量極限有了全新認(rèn)知?？茖W(xué)家推測(cè)，能量如此之高的中微子的產(chǎn)生可能與超新星遺跡、活動(dòng)星系核或其他極端天體現(xiàn)象有關(guān)。未來(lái)，KM3NeT合作組將繼續(xù)提高中微子事件的探測(cè)效率和能量分辨率，同時(shí)還將與其他中微子探測(cè)器合作分析數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步驗(yàn)證這一超高能中微子事件，并探索更多類似的事件。

中微子隱藏著宇宙深處的奧秘

值得一提的是，中國(guó)的中微子研究水平同樣走在世界前列。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）是中國(guó)新一代大型中微子實(shí)驗(yàn)裝置，位于廣東省江門(mén)市地下700米深處。JUNO的探測(cè)方法與KM3NeT在原理上相似，其核心探測(cè)設(shè)備是一個(gè)重達(dá)2萬(wàn)噸的液體閃爍體探測(cè)器，用于探測(cè)中微子與液體閃爍體相互作用產(chǎn)生的切倫科夫輻射，從而研究中微子的各種特性。

該項(xiàng)目以測(cè)量中微子質(zhì)量順序?yàn)槭滓茖W(xué)目標(biāo)，同時(shí)還將研究中微子混合角、超新星中微子、地球中微子、太陽(yáng)中微子等，有望在宇宙起源、質(zhì)量起源和暗物質(zhì)、暗能量等基礎(chǔ)物理學(xué)前沿研究中取得重大成果。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)已于2024年11月底完成全部設(shè)備安裝任務(wù)，并啟動(dòng)超純水、液體閃爍體的灌裝，預(yù)計(jì)將于2025年8月正式運(yùn)行取數(shù)，設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命約30年。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所還提出建設(shè)高能水下中微子望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（HUNT），計(jì)劃在水深千米以下的海底建設(shè)巨大的中微子探測(cè)器陣列，探測(cè)規(guī)模達(dá)30立方公里，是目前國(guó)際上已規(guī)劃的探測(cè)器規(guī)模的三倍以上。

今年1月19日至23日，HUNT項(xiàng)目在中國(guó)南海順利完成首次全尺寸探測(cè)器單元樣機(jī)的布放任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了探測(cè)樣機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，這為計(jì)劃于2025年實(shí)施的技術(shù)驗(yàn)證陣列“海星計(jì)劃”提供了技術(shù)支撐。HUNT項(xiàng)目建成后，有望在兩年內(nèi)觀測(cè)到中微子天體點(diǎn)源，并在十年內(nèi)發(fā)現(xiàn)數(shù)十個(gè)中微子天體點(diǎn)源，從而引領(lǐng)中微子天文學(xué)的發(fā)展。

隨著探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)際合作的加強(qiáng)，我們有理由相信，中微子的研究將邁向新的臺(tái)階，為人類揭示更多宇宙的奧秘。

撰稿：矩陣星

審核：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 陳明君研究員