2025年2月12日，《自然》封面论文报道了欧洲立方千米中微子望远镜（KM3NeT）合作组的一项重大发现：他们利用位于地中海的深海中微子望远镜，观测到了一个迄今已知能量最高的中微子事例。这一发现为研究宇宙高能天体物理现象提供了新线索。
01、神秘的“幽灵粒子”：中微子
中微子，这种在粒子物理学中被视作基本粒子的神秘存在，质量极小且呈电中性，仅通过弱相互作用与其他物质产生关联。因其几乎不会被其他物质吸收，也不会在磁场中发生偏转，故有“幽灵粒子”之称。
自然界里，中微子主要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。由于它几乎不与其他物质反应，其运动方向保留了源头的关键信息，研究中微子对理解物质和能量的相互作用、揭示宇宙演化奥秘意义重大
02、深海中的“猎手”：KM3NeT探测器
那么，科学家是如何发现中微子的呢？为了追踪中微子，物理学家建造了多种大型探测器，立方千米中微子望远镜（KM3NeT）便是其中之一。它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。
中微子几乎不与物质相互作用，但仍有极小概率与水分子中的原子核发生反应，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，会以切伦科夫辐射的形式释放能量。科学家接收和分析切伦科夫辐射产生的光信号，进而重建发生反应的中微子的轨迹和能量。
在数千米深的海底，水体巨大且稳定，为探测器提供了足够的探测体积，能确保累计足量可靠的中微子事件。深海环境还能有效屏蔽来自其他光源和高能粒子的干扰信号，海水良好的透明度也能有效传播切伦科夫辐射，提高光信号的接收效率。
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，大规模的阵列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三维探测网络，使探测器能从多个角度和方向探测中微子，更准确地确定中微子的轨迹和来源。
03、打破记录的宇宙“信使”：220PeV中微子
2023年2月13日，KM3NeT的ARCA探测器记录到一个异常高能的中微子事件，编号为KM3 - 230213A。探测器记录到一个能量约120拍电子伏特（PeV，1PeV = 1015eV）的μ子，科学家推算产生这个μ子的中微子能量约为220PeV，这是人类历史上观测到的能量最高的中微子。
此前，人类探测到的最高能中微子能量是6.05PeV，由位于南极的冰立方天文台（IceCube）于2020年创造，而KM3NeT的最新发现将中微子能量的最高记录提高了两个数量级。
这个中微子能量究竟有多大？对比一些常见的粒子或射线能量：医院CT检查使用X光，能量一般为100keV；核裂变反应堆中产生伽马射线，能量通常不超过10MeV；大型强子对撞机（LHC）中加速质子束，能量大约为13TeV。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。
自然界中弥漫着大量中微子，每秒钟约有6.5×1014个中微子穿过每个人的身体，其中可能含有来自宇宙深处的高能中微子。不过，由于中微子与物质的相互作用极其微弱，它们能轻松穿透人体而不引起任何生物学变化，所以我们无需担心高能中微子对人体的潜在危害。
04、中微子研究的未来展望
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，如此高能量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，还将与其他中微子探测器合作分析数据，进一步验证这一超高能中微子事件，并探索更多类似事件。
值得一提的是，中国的中微子研究水平也走在世界前列。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原理相似，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，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2025年8月正式运行取数，设计运行寿命约30年。
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，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，引领中微子天文学的发展。
随着探测技术的进步和国际合作的加强，中微子的研究将迈向新台阶，为人类揭示更多宇宙的奥秘。