220 PeV微中子震撼發現，開啟宇宙探索新視窗
在地中海深處，一項突破性的發現正改寫天文物理學的歷史：KM3NeT探測器捕捉到有史以來能量最高的微中子，其能量高達驚人的220 PeV。這項發現不僅證實了宇宙中存在如此高能量的微中子，更為天體物理學開闢了全新的研究領域。微中子幾乎沒有質量且不帶電荷，極難被偵測到，因此這次的發現堪稱科學界的重大里程碑。目前KM3NeT望遠鏡僅部分運作，這項成果預示著未來在多信使天文學領域將有更多突破性進展。
2023年2月13日，科學家利用位於深海中的KM3NeT微中子望遠鏡ARCA探測器，記錄到一個能量估計為220 PeV（220萬億電子伏特）的微中子事件，成為迄今為止觀測到的最高能量微中子。經過兩年細緻的分析，KM3NeT國際研究團隊於2025年2月12日在《自然》期刊發表了這項研究成果。
這次事件被識別為一個單獨的μ子穿過整個探測器，觸發了超過三分之一有效感測器的訊號。其軌跡的陡峭角度與巨大能量，強烈暗示它源自於探測器附近的高能宇宙微中子互動作用。KM3NeT發言人Paschal Coyle表示，這次首次偵測到數百PeV能量的微中子，為微中子天文學開啟了新篇章，並為宇宙觀測提供了新的視窗。
高能宇宙是劇烈天文事件的舞臺，例如星系中心的超大質量黑洞吸積、超新星爆炸、伽瑪射線暴等，這些現象至今尚未完全被理解。這些強大的宇宙加速器會產生稱為宇宙射線的粒子流，其中一些宇宙射線可能與源頭附近的物質或光子相互作用，產生微中子和光子。此外，最高能量的宇宙射線在穿越宇宙時，也可能與宇宙微波背景輻射的光子相互作用，產生極高能量的宇宙生成微中子。
微中子是最神秘的基本粒子之一，它們不帶電荷、幾乎沒有質量，且與物質的相互作用極弱。KM3NeT副發言人Rosa Coniglione解釋，微中子作為特殊的宇宙信使，為我們帶來了關於最高能量現象機制的獨特資訊，讓我們得以探索宇宙的最遠端。
儘管微中子是宇宙中僅次於光子的第二豐富粒子，但它們與物質的微弱相互作用使得偵測變得極為困難，需要巨大的探測器。目前正在建設中的KM3NeT微中子望遠鏡，是一個分佈在ARCA和ORCA兩個探測器之間的巨型深海基礎設施。最終配置完成後，KM3NeT將佔據超過一立方公里的體積。它利用海水作為微中子的互動作用介質，其高科技光學模組能夠偵測到微中子互動作用中產生的超相對論性粒子在水中傳播時產生的切倫科夫光。
KM3NeT物理與軟體經理Aart Heijboer指出，確定這個微中子的方向和能量需要精確的望遠鏡校準和複雜的軌跡重建演演算法。此外，這次非凡的偵測僅在探測器最終配置的十分之一狀態下完成，展示了該實驗在研究微中子和微中子天文學方面的巨大潛力。
KM3NeT/ARCA（深淵宇宙射線天體粒子研究）探測器主要致力於研究宇宙中最高能量的微中子及其來源。它位於西西里島Portopalo di Capo Passero海岸約80公里處，深度達3450米。其700米高的偵測單元（DUs）錨定在海底，間隔約100米。每個DU配備18個數位光學模組（DOM），每個DOM包含31個光電倍增管（PMTs）。最終配置完成後，ARCA將包含230個DUs。收集到的資料透過海底電纜傳輸到位於INFN南方國家實驗室的岸上站。
KM3NeT/ORCA（深淵宇宙射線振盪研究）探測器則最佳化用於研究微中子本身的基本性質。它位於法國土倫海岸約40公里處，深度達2450米。它將包含115個DUs，每個高200米，間隔20米。ORCA收集的資料被傳送到La Seyne Sur Mer的岸上站。
KM3NeT的規模最終將達到約一立方公里，配備約20萬個光電倍增管，加上其位於地中海深淵的極端位置，展示了推進微中子天文學和粒子物理學所需的非凡努力。KM3NeT技術專案經理Miles Lindsey Clark強調，這次事件的偵測是眾多國際工程師、技術人員和科學家團隊之間巨大協作努力的成果。
這個超高能微中子可能直接來自強大的宇宙加速器，也可能是首次偵測到的宇宙生成微中子。然而，基於單一微中子難以確定其起源。未來的觀測將聚焦於偵測更多類似事件，以建立更清晰的影象。KM3NeT正在擴建更多偵測單元，並收集更多資料，這將提高其靈敏度，增強其定位宇宙微中子源的能力，使其成為多信使天文學的主要貢獻者。
參考文獻：The KM3NeT Collaboration, Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT, Nature, 12 February 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08543-1
KM3NeT合作組織匯集了來自全球21個國家、68個機構的360多名科學家、工程師、技術人員和學生。KM3NeT被納入歐洲研究基礎設施戰略論壇的路線圖，被認可為歐洲的優先研究基礎設施。除了多國研究機構提供的資金外，KM3NeT還受益於歐洲研究與創新計畫以及歐洲區域發展基金的各種資助。
