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By KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean

深海揭秘：KM3NeT探测到史上最高能量的中微子

KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean by Patrick Dumas, CNRS
One DU, equipped with 18 DOMs, is rolled up around a spherical structure called the LOM in preparation for installation in the sea. This picture is taken from inside the LOM, capturing the inserted DOMs., Image credit: Patrick Dumas, CNRS

深海揭秘：KM3NeT探测到史上最高能量的中微子

在地中海广阔而深邃的海底，一个静默的观测者正耐心地凝视着宇宙。2023年2月13日，这个观测者——立方千米中微子望远镜（KM3NeT）——捕捉到了一次非凡的宇宙事件：一颗能量惊人的“幽灵粒子”，其能量之高，足以挑战人类对宇宙最剧烈现象的理解。这一事件被命名为KM3-230213A，它所携带的能量高达 220 拍电子伏特（PeV），即220万亿亿电子伏特。经过两年精细的实验数据分析，KM3NeT国际合作团队今日正式宣布了这一划时代的突破，详情刊登于2025年2月12日的《自然》杂志。

这不仅是一项科学成就，更是一场范式转变。科学家们首次获得了如此高能的中微子确实存在于宇宙中的确凿证据。这颗粒子经历了漫长的宇宙旅程，未受干扰，如今抵达地球，为人类提供了难得的机会去窥探宇宙中最剧烈的高能天体物理现象。

By KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean
Image credit: KM3NeT

来自深渊的宇宙信使
中微子，被称为“幽灵粒子”，是宇宙中最神秘的基本粒子之一。它们没有电荷，与物质的相互作用极其微弱，可以毫无阻碍地穿越整个星系，甚至不被浩瀚宇宙的磁场所偏转。正是这种“隐形”的特性，使它们成为宇宙中最纯粹的信使，直接携带着有关它们诞生地的关键信息。

KM3-230213A的故事是关于极限的：极端的距离、极端的能量，以及极端的重要性。它的能量远远超越了人类任何加速器的能力，甚至超过了欧洲大型强子对撞机（LHC）所能产生的最高能量。它的源头或许是超大质量黑洞、伽马射线暴，甚至可能是宇宙早期的遗迹——宇宙起源产生的“宇生中微子”（cosmogenic neutrino）。如果这一猜测得到证实，这将是一场真正的科学革命，提供宇宙中最极端高能物理过程的直接证据。

“KM3NeT已经进入了一个全新的观测范围，在这个能量区间内，中微子可能来自最极端的天体现象。”KM3NeT发言人、法国国家科学研究中心（CNRS）粒子物理研究中心研究员Paschal Coyle解释道。“这是人类首次探测到数百PeV级别的中微子，标志着中微子天文学的新时代。”

By KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean
Image credit: KM3NeT

窥探高能宇宙的奥秘
宇宙中的高能世界充满了剧烈的天文事件：恒星爆炸、黑洞合并、活动星系核吞噬恒星，这些现象产生了大量的宇宙射线。当这些高能宇宙射线与周围的物质或辐射碰撞时，就会产生中微子和光子。

然而，科学家们一直在寻找一种特殊的中微子——宇生中微子（cosmogenic neutrino）。这些极端高能的粒子可能来自宇宙中最遥远的过去，是最初宇宙射线与宇宙微波背景辐射（CMB）相互作用的直接证据。KM3-230213A可能是人类首次观测到的此类中微子，这一发现将彻底改变我们对宇宙高能物理的理解。

By Paschal Coyle, CNRS KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean
Final inspections and connection of a DU, rolled up over the LOM, to the deployment winch., Image credit: Paschal Coyle, CNRS

KM3NeT如何捕捉这颗幽灵粒子？
KM3NeT，这座位于地中海深达 3,450 米的中微子望远镜，是人类工程与科学智慧的巅峰之作。它由两个独立探测阵列组成：ARCA（高能宇宙线探测器），用于研究高能天体中微子；ORCA（振荡研究探测器），专注于中微子的基本性质。

KM3NeT的探测方式极为独特。中微子本身几乎不与物质发生相互作用，但如果一颗高能中微子恰好在探测器附近撞击了地球的某个原子，就会产生次级带电粒子（如μ子）。这些带电粒子在水中的速度可以超过水中的光速，从而发出切连科夫辐射——一种微弱的蓝色光芒。KM3NeT的高精度光学模块能够捕捉这一微光，并通过复杂的数据分析重建中微子的能量和来源方向。

此次探测的KM3-230213A 事件触发了超过三分之一的KM3NeT探测单元，其独特的入射角度和惊人的能量表明，它的起源绝对不是地球上的物理过程，而是来自遥远宇宙的真正信使。

“为了确定这颗中微子的方向和能量，我们进行了精确的望远镜校准，并应用了复杂的轨迹重建算法。”KM3NeT物理学和软件经理、荷兰尼克赫夫国家亚原子物理研究所（Nikhef）研究员Aart Heijboer说道。“更令人震惊的是，这一发现是用仅仅十分之一的最终探测器阵列实现的，这说明了KM3NeT的巨大潜力。”

KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean by Patrick Dumas, CNRS
A DU, rolled up over a LOM which is installed on the DU base anchor, is prepared for deployment on the seafloor. In the background is the vessel from which the ROV is operated., Image credit: Patrick Dumas, CNRS

迈向中微子天文学的未来
这一发现不仅是中微子物理的一次巨大飞跃，同时也推动了多信使天文学（multi-messenger astronomy）的发展——通过结合中微子、引力波、伽马射线和宇宙射线等不同信号，我们能更全面地理解宇宙的极端现象。

“这次发现是全球科学家、工程师、技术人员多年来合作努力的结晶。”KM3NeT技术项目经理、法国CNRS宇宙粒子实验室研究员Miles Lindsey Clark说道。

未来的观测至关重要。单一的事件尚不足以确定KM3-230213A的确切起源，但随着KM3NeT探测器的扩建和探测能力的提升，我们或许能揭开更多宇宙高能粒子的奥秘。

当KM3NeT全部建成后，它将覆盖超过一立方千米的体积，包含近20万个光电倍增管，成为全球最强大的中微子探测阵列之一。

The KM3NeT DOM during a recovery operation. The two black ropes secure the 18 DOMs that form a single DU. The cable attached to the DOM is the VEOC, which supplies power and enables data transmission via fiber connection by KM3NeT, a next-generation neutrino observatory submerged up to 3,500 meters beneath the Mediterranean
The KM3NeT DOM during a recovery operation. The two black ropes secure the 18 DOMs that form a single DU. The cable attached to the DOM is the VEOC, which supplies power and enables data transmission via fiber connection., Image credit: Paschal Coyle, CNRS

结语：深海成为通往宇宙的门户
未来已至，我们站在探索新物理现象的前沿。随着每一次新的探测，我们都在不断揭开宇宙射线的起源、极端天体的活动机制，甚至可能解开暗物质的终极谜题。

曾经，人们以为深海是一个沉默的世界。而现在，它已成为人类窥探宇宙最遥远深处的窗口。下一个幽灵粒子的发现，已经在路上……