深海望远镜揭秘：欧洲如何探索宇宙的神秘起源

在地中海的波浪下，欧洲的KM3NeT neutrino望远镜正在进行一场宇宙探索。高耸的传感器阵列延伸到海底一公里，排列成一个巨大的三维网格。

它的使命？捕捉被称为中微子的神秘亚原子粒子，这些信使可以畅通无阻地穿行——甚至穿过行星和恒星——带来关于远超我们太阳系的事件的线索。

在2023年2月13日的清晨，KM3NeT探测到了令人震惊的现象。一道强烈的纯能量闪光标志着有史以来观测到的最强中微子——其能量是任何先前记录的30倍。从那时起，科学家们就一直在努力追踪它的来源。

为什么追逐中微子？

中微子在1930年代首次被提出理论，几十年后才被探测到。它们是宇宙中最丰富的粒子之一，但也是最难以捉摸的。

每秒钟，数十亿个中微子每秒穿过我们的身体，却没有留下任何痕迹。它们没有电荷，几乎没有质量，至少比电子轻一百万倍，而且它们与物质的相互作用极少，这使得它们极难被探测。

正是这种幽灵般的特性让它们对物理学家们如此吸引。

“中微子是目前最有趣的粒子，”法国国家科学研究中心的Paschal Coyle说，他协调一个名为KM3NeT-INFRADEV2的项目，支持KM3NeT基础设施的发展。“关于它们有很多谜团。它们是基本粒子中最不为人知的。”

由于中微子可以穿越宇宙而不被吸收，它们携带着来自科学所知的最极端环境的原始信息：爆炸的恒星、黑洞和宇宙碰撞。

研究它们可能揭示宇宙是如何运作的，甚至能解释物质为何存在。

“中微子是我们能想象的最接近‘虚无’的存在，但它们是完全理解宇宙运作的关键，”科伊尔说。

幽灵猎人

偶尔，中微子会撞击一个原子核，产生一阵次级粒子。在冰或水等密集透明的材料中，这次碰撞会释放出一种微弱的蓝色闪光，称为切伦科夫辐射。KM3NeT的传感器旨在捕捉这一信号。

这种方法也被其他中微子观测站采用，例如南极的IceCube和日本的Super-Kamiokande。IceCube扫描深层极地冰，而KM3NeT则透过地中海的黑暗水域进行观察。

KM3NeT是欧洲的旗舰研究基础设施之一，也是世界上最雄心勃勃的物理项目之一。在一个获得欧盟和国家资金支持的国际联盟的支持下，它由两个独立的设施组成。

ARCA（深渊中的宇宙粒子研究）位于西西里岛附近，旨在追踪来自深空的高能中微子。ORCA（深渊中的宇宙振荡研究）位于法国的土伦附近，专注于中微子的特性和质量。

每个阵列由垂直的篮球大小的玻璃球构成，里面包含超灵敏的光学传感器。这些线条像水下摩天大楼一样从海底升起，延伸到黑暗中达一公里。到2027年，已经有超过1000个模块到位，计划达到6000个。

“在海底建造一个探测器来捕捉这些非常奇怪的粒子，听上去真是个疯狂的主意，”荷兰国家亚原子物理研究所的高级物理学家阿特·海博尔（Aart Heijboer）说，他参与了望远镜的设计。“这让我产生了很多想法。”

所有这些工程的唯一目的是：捕捉那些稀有的闪光，等到一个中微子最终显现出来时。

创纪录的信号

2023年探测到的中微子，名为KM3-230213A，探测到的能量为220佩电子伏特（PeV）——这是一个单个粒子异常大的数值，在粒子物理学中几乎难以想象。“我们并没有真正期待找到这样的事件，”科伊尔（Coyle）说。“我们不得不重新进行大量的模拟。”

它来自哪里？这依然是个大谜团。

中微子由多种来源产生，从太阳内部的核反应到爆炸的恒星（超新星）以及其他高能宇宙事件。一种理论提出，最具能量的中微子源自耀变体——活跃的星系，其超大质量黑洞将能量喷射直指地球。

另一种可能性是，高能宇宙射线穿越宇宙，与光子的碰撞产生中微子。如果KM3-230213A是以这种方式产生的，这可能意味着宇宙起源的中微子比我们想象的要常见。

“或者我们只是运气好，”Coyle承认，“可能是KM3NeT偶然发现了一个稀有的高能中微子。”

研究人员正在精确计算以追踪其确切来源。“在接下来的几个月里，我们将对它的方向进行更精确的测量，”Heijboer说，“如果它来自一个类星体，那就太令人兴奋了。如果它是宇宙起源的，那也同样令人兴奋。”

探测物质的本质

当ARCA寻找宇宙中最强粒子的来源时，ORCA则专注于中微子在穿越空间时如何改变身份或振荡，这三种不同的“味”分别是电子、μ子和τ子。

这些振荡可能揭示中微子质量的排序，这是物理学标准模型中缺失的一部分，而该理论描述了物质的基本粒子。质量排序是指三种中微子质量状态从最轻到最重的顺序。

这有什么重要性呢？因为理解中微子可能会解释为什么会有某种存在，而不是虚无。

在137亿年前的大爆炸之后，物质和反物质应该相互湮灭，只留下空无一物的空间。然而，物质却存活了下来。中微子可能掌握着关键，特别是如果它们被证明是自己的反粒子——这是科学家们迫切想要测试的一个可能性。

“所有试图测量中微子和反中微子之间差异的实验都感到困惑，因为他们不知道质量排序是什么，”Coyle解释说，“这对弄清楚为什么物质比反物质多非常重要。”

欧洲的深海优势

通过建设KM3NeT，欧洲在这一全球科学事业中获得了领先地位。

这一投资已经开始见效，像KM3-230213A这样的探测事件，以及随着望远镜的扩展，更多的发现也在期待之中。

“我们不知道它们的质量，我们不知道它们的质量排序，我们不知道它们是否是自己的反粒子，”Coyle说。“所以中微子现在是最热门的研究对象。”

随着还有成千上万的传感器尚待部署，KM3NeT不仅在加强欧洲在基础研究中的角色，还在监听自然界中一些最微弱的信号。

地中海深处的每一次闪光，可能都蕴含着关于宇宙诞生的秘密，甚至可能揭示为什么会有某物而不是虚无的原因。