物理學家偵測到能量前所未見的「幽靈粒子」

物理學家偵測到地球上有史以來所感測到的最高能量微中子。這顆在地中海海底被偵測到的微中子，其能量幾乎是先前所有被偵測到的「幽靈粒子」的一百倍。

天文學家偵測到了有史以來最強大的幽靈粒子，但他們並不確定它從何而來。這顆粒子瞬間閃過位於地中海海底的立方公里級微中子望遠鏡（KM3NeT）內的探測器，經估算，它是一顆能量達220千兆電子伏特的微中子，其能量比先前偵測到的任何微中子都要高出一百倍以上。

該粒子的軌跡和能量表明，它很可能來自宇宙射線——宇宙中某處高速噴射出的質子或電子等次原子粒子。但產生這顆超高能量粒子的災變事件的本質仍是個謎。研究人員於2月12日在《自然》期刊上發表了他們的研究結果。

「微中子是最神秘的基本粒子之一。它們沒有電荷，幾乎沒有質量，且與物質的相互作用極弱，」KM3NeT探測器副發言人、義大利國家核物理研究所研究員羅莎・科尼廖內（Rosa Coniglione）在一份聲明中表示，「它們是特殊的宇宙信使，能為我們帶來有關最高能現象機制的獨特資訊，讓我們得以探索宇宙的最遙遠之處。」

每秒約有一千億顆微中子穿過你身體的每平方公分。這些微小的粒子無處不在，它們在恆星的核聚變之火中、巨大的恆星爆炸中、放射性衰變過程中，以及地球上的粒子加速器和核反應堆中產生。

然而，儘管微中子無處不在，但由於這些無電荷且近乎無質量的粒子與其他物質的相互作用極少，使得它們極難被偵測到。許多微中子探測實驗都曾觀測到太陽持續轟擊地球的微中子流，但這股微中子流也掩蓋了來自更特殊來源的微中子，例如稱為超新星的巨大恆星爆炸，以及宇宙射線產生的粒子簇射。

為了過濾掉低能量微中子，並尋找高能量的同類，科學家和工程師們正在建造KM3NeT微中子望遠鏡。該望遠鏡由兩個探測器組成：位於地中海海底不同位置的「深海宇宙天體粒子研究」（ARCA）和「深海宇宙振盪研究」（ORCA）。

就像飛機超音速飛行會產生音爆一樣，當粒子在像水這樣會使光速減慢的介質中以超過光速的速度行進時，會在其尾跡中產生微弱的藍光。透過尋找這種稱為切倫科夫輻射的藍光，科學家們可以發現微中子直接撞擊原子核後產生的粒子副產物的軌跡。

2023年2月，位於西西里島卡波帕塞羅港波托帕洛海岸50英里（80公里）外海底的ARCA探測器就有了這樣的發現。在海面下2.2英里（3.5公里）處，一個稱為μ子的次原子粒子閃過探測器，照亮了超過三分之一的感測器。透過追蹤這顆μ子的路徑角度並分析其能量，科學家們推斷它是一顆宇宙微中子的副產物，且這顆微中子的能量比以往任何記錄到的都要高。

目前還不清楚這顆超高能量微中子的來源。研究人員推測，它可能是被黑洞、超新星或脈衝星等「強大的宇宙加速器」加速的；甚至它可能是首次被偵測到的「宇宙成因」微中子，即宇宙射線撞擊宇宙微波背景輻射中的光子所產生的。

為了找到答案，科學家們將繼續擴建KM3NeT，打造一個更大的探測器，以便在這些罕見的微中子穿過地球時捕捉到更多。「KM3NeT已開始探索一個能量和靈敏度範圍，在這個範圍內被偵測到的微中子可能源自極端天體物理現象，」該研究的共同作者、法國馬賽國家科學研究中心研究員帕斯卡爾・科伊爾（Paschal Coyle）在聲明中表示，「首次偵測到數百拍電子伏特（千兆電子伏特）的微中子，為微中子天文學開啟了新的篇章，也為觀測宇宙打開了新的窗口。」