科学家宣布探测到迄今为止能量最高的中微子

在构成粒子物理标准模型的所有基本粒子中，中微子仍然是最神秘的。它们几乎没有重量——但也不完全没有重量！它们不带电荷，几乎从不与其他粒子相互作用。它们甚至似乎没有固定的身份，而是在三种不同的“味道”之间不断振荡。当你读到这篇文章时，它们正在你的身体里流动——太阳不断产生大量的中微子——但探测它们仍然很困难，我们对它们还有很多不了解的地方。

“中微子是一种非常神秘的粒子，”2 月 12 日《自然》杂志发表的一篇新论文的共同作者之一 Damien Dornic 说。该论文描述了位于地中海深处的立方千米中微子望远镜 (KM3NeT) 对超高能中微子衰变产物的探测。科学家计算出，该中微子携带的能量约为 220 千兆电子伏特 (PeV)，是迄今为止观测到的能量最高的中微子。（220 PeV 是一种极高的能量：相比之下，大型强子对撞机对撞粒子的最大能量为 13.6 太拉电子伏特，仅为中微子估计能量的 0.006%；相反，这意味着中微子携带的能量相当于超过 16,000 次 LHC 碰撞。）

中微子本身并没有被直接观察到；相反，它的存在是从另一种被称为μ子的粒子的探测中推断出来的，这种粒子在 2023 年 2 月 13 日点亮了两个粒子探测器中的一个。科学家们花了两年的时间研究数据并重建μ子的轨迹，得出结论，它是由物质粒子和超高能中微子相互作用产生的。

虽然中微子仍然难以捉摸，但μ子不仅更容易探测，而且更容易理解。它们经常被描述为电子的重表亲，因为除了一些非常微妙的差异（这些差异仍然是活跃的研究主题）之外，它们几乎与我们所熟悉的电子完全相同。然而，有一个关键的区别：μ子的质量比电子大约大 200 倍。

这种高质量使得μ子不稳定，平均而言，它们存在不到两微秒（一微秒是百万分之一秒）后就会衰变成更轻的粒子。这种短暂的寿命似乎也使得μ子难以探测，但相对论的效应意味着，在我们看来，高能μ子的存在时间要长得多。时间膨胀和长度收缩等相对论效应基本上意味着，从我们的参考系来看，μ子运动得越快，衰变所需的时间就越长。

地球上探测到的大多数介子都是由宇宙射线产生的，宇宙射线是高能粒子（通常是质子），它们可以与地球上层大气中的粒子相撞，产生大量奇异的短寿命粒子。以这种方式产生的介子具有足够的能量，其中一些介子可以到达地球表面。

然而，2023 年撞击 KM3NeT 探测器的μ子不可能是这些μ子之一：与从上方降落的宇宙射线μ子不同，它以近乎水平的轨迹到达。该论文计算出，要以这种方式到达 KM3NeT，它必须穿过海水和固体岩石近 100 英里——这比宇宙射线相互作用产生的μ子可能达到的距离要大得多。推动这个μ子沿着这条轨迹行驶如此远所需的巨大能量让科学家意识到它很不寻常——并表明它的起源同样奇特。

那么，中微子从何而来？是什么能给一个微小的幽灵粒子注入如此巨大的能量？“只有宇宙中最强大的源头才能产生这样的中微子，”多尼克说。“活跃星系核，尤其是耀变体，是特别有趣的[潜在]源头。星暴星系的伽马射线暴也可能是候选源头。”

“活跃星系核”（AGN）是指星系中心的超大质量黑洞正在积极吞噬物质。坠落的物质形成吸积盘，由此产生的强磁场以极高的速度将部分物质喷射出来，这些喷流从黑洞两极喷出，垂直于吸积盘。多尼克解释说，耀变体是一种具有一项特殊属性的 AGN：“在耀变体中，喷流指向地球。”这意味着这种高能物质——可能包括 2023 年 2 月冲向地球的中微子——会直接向我们喷射。

多尼克表示，在对这些极高能量的中微子做出任何明确的陈述之前，还需要对其进行更多的研究。然而，他说， 《自然》杂志上描述的中微子的探测代表了天文学的一个里程碑：“[中微子]……可以用来研究宇宙中最剧烈的源头的核心。它们真的是怪物，与质量为数百万到数十亿太阳质量的超大质量黑洞的活动有关。有了这个超高能量的中微子，我们正在为我们的宇宙打开一扇新的窗户。[这是]未来一些非常令人兴奋的结果的开端。”