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海底望遠鏡捕捉到史上最強「幽靈粒子」

近日,位於地中海深處的KM3NeT望遠鏡偵測到一個能量高達220 PeV的中微子,創下了天文物理學的新紀錄。這個微小卻極具能量的粒子,源自宇宙中最極端的事件,為科學家提供了關於宇宙加速器的新線索。儘管其確切來源仍未知,但研究人員認為這可能是首個被偵測到的宇宙生成中微子。這項發現為多信使天文學注入了新的動力,未來的觀測有望揭開宇宙最深層的奧秘。

KM3NeT國際合作團隊於2月12日在《自然》期刊上發表了這一重大發現,並登上封面。這項研究首次證實,如此高能量的中微子確實存在於宇宙中。然而,其來源仍是一個謎團。來自西班牙格拉納達大學的科學家也參與了這項計畫。

2023年2月13日,KM3NeT的深海探測器ARCA記錄到一個與中微子相關的異常事件,其能量估計約為220 PeV(220,000兆電子伏特)。這遠高於歐洲核子研究組織(CERN)大型強子對撞機(LHC)所產生的粒子能量。該事件被命名為KM3-230213A,成為迄今為止觀測到能量最高的中微子,證實了這類高能量中微子在宇宙中的存在。

中微子是一種幾乎不可見的次原子粒子,以接近光速的速度穿越太空,能夠輕易穿透恆星、行星甚至人體而不留下任何痕跡。由於它們極少與物質相互作用,因此被稱為「幽靈粒子」。儘管難以捕捉,中微子卻是理解宇宙極端事件的關鍵,從超新星爆炸到黑洞內部的神秘過程,都與它們息息相關。科學家利用龐大的地下或水下探測器來捕捉這些稍縱即逝的粒子,從而揭開宇宙的奧秘。

研究人員將此次事件識別為一種與電子相關的基本粒子——μ子,它穿過了探測器。μ子的陡峭軌跡和巨大能量強烈表明,它源自一個高能量宇宙中微子在探測器附近的相互作用。

KM3NeT已開始探索一個能量和靈敏度範圍,使得偵測到的中微子可能源自極端的天文物理現象。KM3NeT發言人、法國馬賽IN2P3/CNRS粒子物理中心研究員Paschal Coyle表示:「這次偵測到數百PeV的中微子,開啟了中微子天文學的新篇章,也為觀測宇宙開啟了一扇新視窗。」

高能量宇宙是超巨型黑洞、超新星爆炸和伽馬射線爆發等巨大事件的領域,這些現象至今仍未完全被理解。這些強大的宇宙加速器會產生稱為宇宙射線的粒子流,這些粒子與周圍物質相互作用,進而產生中微子和光子。在穿越宇宙的過程中,最高能量的宇宙射線會與微波背景輻射的光子相互作用,產生極高能量的中微子,稱為宇宙生成中微子。

中微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、義大利國家核物理研究所(INFN)研究員Rosa Coniglione解釋:「中微子是特殊的宇宙信使,為我們提供了關於最高能量現象機制的獨特資訊,讓我們能夠探索宇宙最遙遠的角落。」

儘管中微子是宇宙中第二豐富的粒子(僅次於光子),但它們與物質的極弱相互作用使得偵測變得非常困難,需要龐大的探測器。KM3NeT中微子望遠鏡目前正在建設中,是一個位於海底的巨型基礎設施,由ARCA和ORCA兩個探測器組成。KM3NeT利用海水作為相互作用介質來偵測中微子,其高科技光學模組能夠偵測到切倫科夫光,這是由與中微子相互作用產生的超相對論性粒子在水中傳播時產生的藍色光芒。

這顆超高能量中微子可能直接源自一個強大的宇宙加速器,也可能是首個被偵測到的宇宙生成中微子。然而,基於單一事件,科學家難以對其來源下結論。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的持續擴建與新資料的獲取將提升其靈敏度,並增強其識別宇宙中微子來源的能力,使其成為多信使天文學的重要角色。

KM3NeT合作團隊匯集了來自全球22個國家、68個機構的360多名科學家、工程師、技術人員和學生。格拉納達大學的研究人員在過去十年中積極參與KM3NeT計畫,並在多個領域做出貢獻。研究團隊相信,隨著KM3NeT兩個探測器ARCA和ORCA的全面安裝,將有助於揭開宇宙中微子起源的神秘面紗。

參考文獻:Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT by The KM3NeT Collaboration, 12 February 2025, Nature.DOI: 10.1038/s41586-024-08543-1