为什么科学家们關於從来見過的能量最高的“幽灵粒子”是如此兴奋

By Keith Cooper published 2 hours ago

Particle Physics

在我们银河系中已知的环境或天体不可能已經产生有如此大能量的一個中微子。

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 在KM3NeT/ORCA探测器中一個仿真事件的可视化。(Image credit: Courtesy KM3NeT)

今年更早，在地中海的一个水下探测器发现了迄今为止能量最高的中微子。而科学家们仍正在谈论它，因为嗯这个发现可能真的是一个大交易。这个也被称为“一個幽灵粒子”的中微子不仅可能一直逃离一個伽马射线暴或一個超大质量黑洞，而且它还可能已經被一個超强宇宙射线与宇宙微波背景 （CMB） 相互作用产生。

那個我们將很快到后一点可能是宏大的。此外，确定了这种粒子的探测器甚至还没有完全被建造——一旦组装起来，谁知道它能完成什么。KM3NeT 的发言人、阿姆斯特丹大学的保羅（Paul de Jong）告诉太空網站， “我们很高兴已經观察到这一事件，我们渴望并好奇更多的” 。

對一些背景，中微子被欧盟资助的立方公里中微子望远镜（KM3NeT）于 2023 年 2 月 13 日检测到。中微子是幽灵的粒子，因为它们幾乎沒有质量，罕見的与其他形式的物质相互作用，使它们非常难來探测。每秒有数万亿个中微子穿过您的身体，而您不能告訴。科学家们必须耐心來发现甚至一个中微子。

现代中微子探测器被放置在水中，特別的在黑暗中。有时这些水被把持在一個水箱中，就像加拿大的萨德伯里中微子天文台以及日本的超级神冈探测器一樣。其他时候这些水被凍结在地下，在南极的冰立方中微子天文台的案例中。但是，中微子探测器字面上被浸入海中也是可能的，就像 KM3NeT 案例一样，它延伸到海浪以下 2.17 英里（3.5 公里）的深度。

水是如此重要的原因是一個中微子偶尔將与一個水分子相互作用。所涉及的能量能是如此大以至于碰撞将水分子粉碎成一堆子核和粒子，特别的 μ介子。μ介子很快的旅行，几乎就像光在真空中一样，绝对比光穿过水的速度更快——水的折射率将光减慢到大约每秒738,188,976 英尺（每秒 225,000,000 米），相比真空中的光速为每秒 983,571,056 英尺（每秒 299,792,458 米）。因为 μ介子在水中比光速旅行更快，它们以一個闪光的形式发出一個音爆的等價物。这种光称为切伦科夫辐射。

KM3NeT 由两个检测器组成。第一个叫 ORCA，位于法国海岸 8038 英尺（2450 米）深处，被設計來研究中微子如何在不同类型的中微子之间振荡。另一个探测器即发现了新的高能中微子的探测器——已被编为KM3-230213A——被称为 ARCA，位于西西里岛海岸附近。

ARCA 和 ORCA 仍正在建设中。完成時ARCA 将特徵230 条垂直检测线下降進海中。每个將衬有 18 个包含 31 个能在这些深度的黑暗中发现切伦科夫辐射的闪光的光电倍增管光学模块。在 ARCA 检测到 KM3-230213A 时它的检测线中只有21 条正在运行。

其中一个 KM3NeT 探测器的示意图，一串探测器垂直悬挂在海洋深处。 (Image credit: Courtesy KM3NeT)

ARCA检测到的 μ 介子有一個为 120 PeV（1000 万亿或千万亿电子伏特）的能量，这意味着产生它的中微子一定已經有過一個破纪录的 220 PeV 能量。这比可见光光子的能量更高 100 万亿倍，比保持之前能量记录的中微子更高 30 倍。

μ介子在被吸收之前能在海中旅行数英里，KM3NeT 检测到 μ介子水平的旅行而不是直接向下到海底。

保羅说，“μ介子上的水平方向是非常相关的”。

μ介子也能被在宇宙射线散裂中形成，其中一個宇宙射线进入地球的大气层并与一個分子或原子碰撞，将它粉碎成一個亚原子粒子淋雨。以这种方式形成的 μ介子能要麽到达表面要麽进入海洋同时笔直向下旅行，而不是水平的。保羅说，要一直水平的移动，μ介子必须相反已經“靠近探测器被創造，唯一现实的場景是它被一個高能中微子創造”。

一個220 PeV 的中微子是前所未有的。在我们的银河系中已知的环境或天体都不能产生有如此大能量的一個中微子。这意味着它的起源一定是银河系外的，可能被在一顆恒星爆炸并产生一個伽马射线暴的暴力中創造，或者一個超大质量黑洞用它的巨大的引力潮汐力将一顆恒星或气体云撕成碎片。因为中微子不会被磁场或引力偏转，它们的旅行方向引導回到它们的源头。

保羅说，“μ介子的方向幾乎与原始中微子的方向相同，因此我们能玩指向它的宇宙起源的游戲”。.

那个起点在猎户座方向中的某个地方。然而，虽然在该区域中有许多有超大质量黑洞的活跃星系，但当时它们沒有一個正在表现可以解釋這個中微子的活动，当时从那个方向也没有检测到一個伽马射线暴。

但另一个有趣的可能性是KM3-230213A 是第一个被发现的“宇宙成因”中微子，儅一個超高能宇宙射线撞進属于宇宙微波背景的一個光子时产生，宇宙微波背景在大爆炸后 379000 年释放的駐留光。

检测切伦科夫辐射的 KM3NeT 光学模块之一。 (Image credit: Courtesy KM3NeT)

要用一個极高能量的宇宙射线能夠來产生像KM3-230213A 一样的中微子。阿根廷的皮埃尔·奥热天文台 （Pierre Auger Observatory） 等机构已经探测到超过 100000 PeV 的宇宙射线。它们的起源是不确定的，但理论上每次这样一個宇宙射线遇到一個宇宙微波背景光子碰撞能产生与KM3-230213A 一样高能的中微子。

宇宙射线能量越大，它的相互作用截面就越大，这意味着它更有可能与宇宙微波背景光子相互作用。宇宙射线和宇宙微波背景光子之间的恆定相互作用减慢宇宙射线的速度，限制它们的动能。这被称为Greisen-Zatsepin-Kuzmin （GZK） 极限。.

活跃的超大质量黑洞是超高能中微子的一种可能来源。 (Image credit: NASA/JPL-Caltech)

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一個宇宙中微子的可能性兴奋保羅。他说，“这将是一個宇宙成因中微子的非常第一次檢測，也将是在带电宇宙射线之外首次确认 GZK 截止——甚至在那里证据是模棱两可的”。

此外，宇宙成因中微子的能量能揭示这些超高能宇宙射线的屬性。这个参数對发现是否这种现象仅被质子或更重的原子核弄成是关键，因此什麽产生它们。尽管KM3-230213A 是被 KM3NeT 检测到的唯一极高能量中微子，但毫无疑问还会有更多穿过地球的中微子未被检测到。KM3NeT 对 ARCA 的早期检测很好预示着最终能够更频繁地检测此类中微子嗎？

保羅說，“我们当然希望如此！但实际上冰立方等其他实验已经获取了更长的数据，并且已經没有观察到这样一個事件，因此我们可能只一直是幸运的” 。

2 月 12 日发表在Nature杂志上的一篇论文中描述了这一发现 .