深海幽靈粒子揭開量子重力之謎

科學家們正潛入深海，探索宇宙最大的謎團之一——量子重力。利用KM3NeT這座龐大的水下微中子望遠鏡，研究人員正在觀測一種幽靈般的粒子，這些粒子可能是連結宏觀與微觀物理學的關鍵。透過分析微中子在穿越太空時的振盪（或不振盪）現象，他們正在尋找量子重力可能產生的微妙跡象——退相干效應。

量子重力是物理學中缺失的一環：這項理論可以將描述大尺度宇宙的廣義相對論與支配最小粒子行為的量子力學結合起來。解開這個長期謎題的關鍵之一可能是微中子，這是一種微小且不帶電的粒子，由於幾乎不與物質相互作用，它幾乎是隱形的。每秒鐘有數萬億個微中子穿過你的身體，卻不留任何痕跡。

由於微中子極少與其他物質相互作用，它們的偵測極為困難。但偶爾，微中子會與某些物質碰撞，例如深海中的水分子。當這種情況發生時，它會產生一種微弱的藍光，稱為切倫科夫輻射，這種光可以被KM3NeT等敏感探測器捕捉到。

KM3NeT（立方公里微中子望遠鏡）是一座龐大的水下觀測站，旨在捕捉深海中這些罕見的微中子相互作用。它包括兩個主要探測器，其中一個名為ORCA（深淵宇宙射線振盪研究），被用於這項研究。ORCA位於法國土倫海岸附近，約在海平面下2,450公尺處。

然而，偵測微中子只是第一步。為了探測量子重力，研究人員還在尋找這些粒子是否受到退相干現象影響的微妙跡象，這可能是超越我們目前理解的物理學線索。

當微中子在太空中旅行時，它們會發生振盪，這意味著它們會改變身份——科學家稱之為「味振盪」。相干性是這些振盪的基本特性：微中子沒有確定的質量，而是以三種不同質量狀態的量子疊加形式存在。相干性使這種疊加保持明確，讓振盪能夠規律且可預測地發生。然而，量子重力效應可能會削弱甚至抑制這些振盪，這種現象被稱為退相干。

「有幾種量子重力理論預測了這種效應，因為它們認為微中子並非孤立系統。它可以與環境相互作用，」瓦倫西亞大學物理研究所的物理學家、這項研究的通訊作者納迪亞·萊辛解釋道。這項研究匯集了全球數百位研究人員的貢獻。

「從實驗的角度來看，我們知道這種效應的訊號會是看到微中子振盪被抑制。這可能是因為在微中子到達我們（更準確地說，是到達地中海底部的KM3NeT感測器）的旅程中，它可能以某種方式與環境相互作用，從而改變或抑制了它的振盪。」

然而，在萊辛及其同事的研究中，KM3NeT/ORCA水下探測器分析的微中子並未顯示出退相干的跡象，這一結果提供了寶貴的見解。

「這意味著，如果量子重力確實會改變微中子振盪，它的強度低於目前的靈敏度極限，」萊辛解釋道。這項研究為這種效應的強度設定了上限，這些上限比之前的大氣微中子實驗更為嚴格，並為未來的研究方向提供了指引。

「發現微中子退相干將是一件大事，」萊辛說。到目前為止，尚未觀察到量子重力的直接證據，這就是為什麼微中子實驗越來越受到關注。「人們對這個主題的興趣日益增加。研究量子重力的人對此非常感興趣，因為你可能無法用其他東西來解釋退相干。」

參考文獻：Search for quantum decoherence in neutrino oscillations with six detection units of KM3NeT/ORCA by S. Aiello et al., 2025年3月20日，《宇宙學與天體粒子物理學期刊》。DOI: 10.1088/1475-7516/2025/03/039