能量比X射线强万亿倍，它可能正在穿过你的身体

近日，《自然》杂志发表了一项重磅科研成果：欧洲立方千米中微子望远镜（KM3NeT）合作组利用位于地中海的深海中微子望远镜，成功观测到一个迄今已知能量最高的中微子事例。这一发现不仅刷新了人类对中微子能量极限的认识，也为探索宇宙高能天体物理现象提供了新的线索。

KM3NeT高能中微子研究登上《自然》封面

问题来了：中微子是什么？这次发现的中微子能量有多高？科学家又是如何发现它的？

中微子：宇宙中的“幽灵”

在粒子物理学中，构成物质的最小单元被称为基本粒子，例如夸克和电子。中微子就是一种极为特殊的基本粒子，它的质量极小，且呈电中性，只能通过弱相互作用与其他物质发生作用。因此，中微子几乎不会被其他物质吸收，也不会在磁场中发生偏转，所以常被形象地称为“幽灵粒子”。

物理学中，中微子是一种基本粒子

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

自然界中的中微子主要来源于超新星核心的坍缩、太阳和恒星的核聚变等高能物理过程。由于中微子几乎不与其他物质反应，它们可以几乎不受阻挡地直线穿过物质，这使得它们的运动方向能够保留源头的关键信息。因此，研究中微子对于理解物质和能量之间的相互作用，以及揭示宇宙演化奥秘具有重大的意义。

图片来源：Science Photo Library

既然中微子与物质的相互作用极为微弱，那我们又该如何发现这种“幽灵粒子”的存在呢？为了追踪中微子的踪迹，物理学家建造了多种大型探测器，立方千米中微子望远镜（Cubic Kilometre Neutrino Telescope ，简称为KM3NeT）便是其中之一。

海底深处的探测器

KM3NeT由两个位于地中海深处的大型探测器阵列ARCA和ORCA组成。此次发现高能中微子的ARCA探测器位于意大利西西里岛附近，深度约为3450米。ARCA的主体由21条长达700米、间隔100米的垂直探测线构成，每条探测线上的18个探测单元通过浮力保持垂直，形成了一个大型的三维光学阵列。

探测器的三维阵列示意图

（图片来源：KM3NeT合作组）

你可能会产生很多疑问：物理学家为什么要把探测器放在这么深的海底？又为什么要设计成如此庞大的阵列呢？

这要从探测中微子的原理说起。尽管中微子几乎不与物质相互作用，但仍有极小的概率与水分子中的原子核发生反应，并产生带电粒子。当这些粒子在水中的运动速度超过光在水中传播的速度时，它们就会以一种名为切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）的形式释放能量。科学家接收和分析切伦科夫辐射所产生的光信号，进而重建发生反应的中微子的轨迹和能量。

中微子与水分子发生反应，产生的带电粒子在水中发出切伦科夫辐射（用圆锥表示）

（图片来源：KM3NeT合作组）

在数千米深的海底，水体巨大且稳定，这为探测器提供了足够的探测体积，可以确保累计足量可靠的中微子事件。此外，深海环境能够有效屏蔽来自其他光源和高能粒子的干扰信号。同时，海水具有良好的透明度，能够有效传播切伦科夫辐射，从而提高光信号的接收效率。

海底的探测单元

（图片来源：KM3NeT合作组）

ARCA探测器覆盖约一立方千米的海域，配置超过10万个用于接收切伦科夫辐射信号的光电倍增管，这种大规模的阵列进一步显著提高了中微子事件的探测概率。并列的垂直探测线形成了三维探测网络，使得探测器能够从多个角度和方向探测中微子，从而更准确地确定中微子的轨迹和来源。

迄今已知能量最高的中微子

2023年2月13日，KM3NeT的ARCA探测器记录到了一个异常高能的中微子事件，编号为KM3-230213A。这一事件中，探测器记录到了一个能量约120拍电子伏特（PeV，1PeV = 10¹⁵eV）的μ子。科学家由此推算，在反应中产生这个μ子的中微子能量约为220PeV，这是人类历史上迄今为止观测到的能量最高的中微子。

电子伏特（eV）定义为一个电子在1伏特（V）的电势差中获得或失去的能量，和国际单位制中的能量单位焦耳（J）的换算关系为1 eV=1.602×10^-19J。

探测器发现高能中微子事件的示意图

蓝色直线表示粒子的重建轨迹，圆锥表示切伦科夫辐射，探测单元的颜色表示信号探测时间的早晚

（图片来源：KM3NeT合作组）

在此之前，人类探测到的最高能的中微子能量是6.05PeV，这一记录由位于南极的冰立方天文台（IceCube）于2020年创造。而KM3NeT的最新发现则直接将中微子能量的最高记录提高了两个数量级。

这个中微子的能量究竟有多大呢？我们可以选取一些常见的粒子或射线的能量来进行对比：医院CT检查使用X光，其能量一般为100keV；核裂变反应堆中产生伽马射线，其能量通常不超过10MeV；大型强子对撞机（LHC）中加速质子束，其能量大约为13TeV。与这些能量相比，此次发现的中微子的能量分别大约是它们的万亿倍、千亿倍和一万倍。

电磁波波长与对应的能量

不同波长范围的X光有相应的应用范围

（图片来源：Wikipedia 图译：Blair）

X光和伽马射线的能量与高能中微子相比竟然极其悬殊，可能会有人对此产生担忧：这么高能量的中微子，如果穿过人体，是否会对人体造成伤害呢？

事实上，自然界中弥漫有大量的中微子，每秒钟约有6.5×10¹⁴个中微子穿过每个人的身体，其中也可能含有来自宇宙深处的高能中微子。幸好，由于中微子与物质的相互作用极其微弱，它们能够轻松穿透人体而不会引起任何生物学上的变化。因此，我们完全不需要担心高能中微子对人体的潜在危害。

每时每刻都有大量中微子穿过我们的身体，但不会对人体造成危害。

（图片来源：Symmetry Magazine）

未来展望

此次KM3NeT发现的超高能中微子事件让人类对中微子能量极限有了全新认知。科学家推测，能量如此之高的中微子的产生可能与超新星遗迹、活动星系核或其他极端天体现象有关。未来，KM3NeT合作组将继续提高中微子事件的探测效率和能量分辨率，同时还将与其他中微子探测器合作分析数据，以进一步验证这一超高能中微子事件，并探索更多类似的事件。

中微子隐藏着宇宙深处的奥秘

（图片来源：KM3NeT合作组）

值得一提的是，中国的中微子研究水平同样走在世界前列。江门中微子实验（JUNO）是中国新一代大型中微子实验装置，位于广东省江门市地下700米深处。JUNO的探测方法与KM3NeT在原理上相似，其核心探测设备是一个重达2万吨的液体闪烁体探测器，用于探测中微子与液体闪烁体相互作用产生的切伦科夫辐射，从而研究中微子的各种特性。

该项目以测量中微子质量顺序为首要科学目标，同时还将研究中微子混合角、超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等，有望在宇宙起源、质量起源和暗物质、暗能量等基础物理学前沿研究中取得重大成果。

江门中微子实验已于2024年11月底完成全部设备安装任务，并启动超纯水、液体闪烁体的灌装，预计将于2025年8月正式运行取数，设计运行寿命约30年。

江门中微子实验探测器主体结构

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

中国科学院高能物理研究所还提出建设高能水下中微子望远镜项目（HUNT），计划在水深千米以下的海底建设巨大的中微子探测器阵列，探测规模达30立方公里，是目前国际上已规划的探测器规模的三倍以上。

今年1月19日至23日，HUNT项目在中国南海顺利完成首次全尺寸探测器单元样机的布放任务，并实现了探测样机的稳定运行，这为计划于2025年实施的技术验证阵列“海星计划”提供了技术支撑。HUNT项目建成后，有望在两年内观测到中微子天体点源，并在十年内发现数十个中微子天体点源，从而引领中微子天文学的发展。

HUNT探测器示意图

（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

随着探测技术的进步和国际合作的加强，我们有理由相信，中微子的研究将迈向新的台阶，为人类揭示更多宇宙的奥秘。

撰稿：矩阵星

审核：中国科学院高能物理研究所 陈明君研究员