用KM3NeT观测超高能宇宙中微子

KM3NeT实验在地中海观测到的一个非常高能的μ子是宇宙起源的异常高能中微子相互作用的证据。

　　

探秘宇宙高能中微子：KM3NeT 的重大发现

来自多个机构的研究人员，其中第一作者单位为 INFN, Sezione di Catania (INFN-CT), Catania, Italy（意大利国家核物理研究所卡塔尼亚分部），他们在《Nature》（《自然》）期刊上发表了题为 “Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT”（利用 KM3NeT 观测超高能宇宙中微子）的论文。这一研究成果在天体物理学和中微子天文学领域意义非凡，它为人类探索宇宙高能现象打开了新的窗口，让我们对宇宙射线的起源和传播等奥秘有了更深入了解的可能。

一、研究背景：神秘的宇宙中微子

宇宙中微子，作为一种神秘的基本粒子，一直是天体物理学研究的焦点。中微子呈电中性，仅通过弱相互作用与其他物质发生作用 ，这使得它几乎不会受到磁场的影响，也极少被星际物质吸收。因此，中微子的传播方向能够为其宇宙起源提供关键线索，它有可能来自宇宙的最深处。

当超高相对论性宇宙射线质子或原子核与其他物质或光子相互作用时，便会产生高能中微子。对这些高能中微子的观测，就像是捕捉宇宙高能现象的 “蛛丝马迹”，能够帮助科学家们揭示宇宙射线加速和传播的奥秘，以及探索那些遥远而神秘的天体物理过程。然而，宇宙中微子的探测难度极大，它们与物质的相互作用极其微弱，这就需要极为灵敏的探测器和先进的探测技术。

此前，虽然已经有一些关于中微子的探测成果，但对于超高能宇宙中微子的研究仍处于起步阶段。例如，大气中微子会对宇宙中微子的探测产生干扰，它是宇宙射线与地球大气层相互作用产生的，在低能量（TeV）范围内数量较多 。因此，如何在复杂的背景中准确探测到宇宙中微子，并确定其能量和起源，成为了科学家们面临的重大挑战。在这样的背景下，本研究利用 KM3NeT 探测器展开，致力于在超高能宇宙中微子探测领域取得突破。

二、关键技术：深海中的 “中微子猎手”

本研究的关键在于 KM3NeT 探测器，它就像是隐藏在深海中的一位 “超级猎手”，专门负责捕捉那些难以捉摸的宇宙中微子。

KM3NeT 探测器位于地中海深处，是一个由光学传感器组成的三维阵列。这些传感器被安置在光学模块中，每个光学模块都是一个直径 44 厘米的耐压玻璃球，内部装有 31 个 3 英寸的光电倍增管（PMT） 。当相对论性带电粒子在海水中穿行时，会产生切伦科夫辐射（Cherenkov radiation），而这些 PMT 就是用来探测这种辐射的 “火眼金睛”。

探测器中的 ARCA 探测器，位于西西里岛波托帕洛迪卡波帕塞罗附近海域，深度约 3450 米。它的设计专门针对高能宇宙中微子的研究进行了优化，其光学模块沿着 700 米长的垂直探测线成组排列，每组 18 个，间隔 36 米，这些探测线被固定在海底，通过光电电缆与岸上的实验室相连，不仅能为探测器供电，还能将数据传输到岸上进行处理。

在数据采集方面，KM3NeT 采用了 “全数据到岸” 的概念。所有 PMT 产生的模拟信号在海上被数字化，然后全部数字数据被实时传输到岸上。数据中包含了信号的时间戳和超过阈值的脉冲长度信息，这些信息被称为 “hit”。触发算法会对这些数据进行分析，寻找在空间和时间上相关的 hit 簇，一旦发现符合条件的簇，就会将相关数据记录下来作为一个事件，用于后续的离线校准和处理。

为了准确模拟中微子事件和估计粒子能量，研究人员使用了多种先进的模拟工具。比如，用 gSeaGen v7.4.3 结合 GENIE 来模拟中微子相互作用，用 PROPOSAL 和 TAUSIC 来模拟 μ 子和 τ 子的传播 。在模拟光的产生和传播时，考虑了光的吸收、散射和色散等多种因素，并且通过与 Geant4 模拟和自定义 GPU - 光子跟踪代码对比，验证了模拟的准确性。这些技术手段的综合运用，使得 KM3NeT 探测器能够高效、准确地探测和分析中微子事件。

三、研究结果

（一）中微子事件 KM3 - 230213A：深海中的高能 “信使”

2023 年 2 月 13 日协调世界时 01:16:47，ARCA 探测器观测到一个极其高能的 μ 子穿过，这一事件被命名为 KM3 - 230213A。当时，ARCA 探测器有 21 条探测线在运行，该事件触发了大量的探测器信号，总共记录到 28086 个 hit。

通过对 PMT 记录的信号时间和位置进行分析，研究人员利用最大似然算法重建了 μ 子的轨迹。结果显示，KM3 - 230213A 的方向接近水平，起源于地平线以上 0.6°，方位角为 259.8°，方向的不确定性约为 1.5°（68% 置信水平） 。

在能量估计方面，研究人员通过统计参与触发事件的 PMT 数量（）来估算 μ 子的能量。对于 KM3 - 230213A，观测到的为 3672，对应 μ 子能量估计为PeV（拍电子伏特），90% 置信水平区间为 35 - 380 PeV 。这一能量远远超过了之前探测到的大多数中微子，表明它可能来自一个特殊的宇宙加速器，或者是首次被探测到的由宇宙射线与宇宙背景光子相互作用产生的宇宙成因中微子。

（二）背景评估：排除干扰，锁定目标

在确定 KM3 - 230213A 的性质时，研究人员需要评估大气 μ 子和大气中微子这两种主要背景的影响。

大气 μ 子主要来自宇宙射线在大气层中的广泛空气簇射，是中微子望远镜中重建事件的主要背景来源。由于 μ 子通量随能量迅速下降，且超高能宇宙射线产生的 μ 子在海平面的能量有限，根据估算，到达探测器的高能大气 μ 子数量极少。通过对事件方向和能量的分析，结合地球曲率、探测器位置以及假设的大气 μ 子通量模型，研究人员得出，即使考虑最保守的情况，KM3 - 230213A 是大气 μ 子的概率也极低，其上限在不同假设条件下远低于观测到的事件率。

大气中微子可以到达探测器，但它们的通量在 PeV 能量以上急剧下降。通过计算，在 100 PeV 以上，大气中微子的预期事件率约为次 / 年，远低于 KM3 - 230213A 的观测能量和事件率。因此，从概率角度来看，KM3 - 230213A 极有可能来自宇宙，而不是地球大气层。

（三）天体起源探寻：追寻中微子的宇宙 “故乡”

为了确定 KM3 - 230213A 的天体起源，研究人员进行了一系列搜索。他们利用多波段公开数据，在事件坐标周围 3° 半径范围内搜索潜在的源对应体，测试了包括银河系、本地宇宙、瞬态和河外起源等四种假设。

在搜索银河系对应体时，研究人员查阅了高能（4FGL - DR4）和甚高能（TeVCat）伽马射线目录以及 3HWC 调查数据，但在 99% 误差区域内未发现编目的源。在探索本地起源时，将事件方向与 MANGROVE 目录进行交叉匹配，找到了 40 个星系，但在这些星系中，通过 ZTF 公共数据流搜索光学瞬态源，并未发现相关信号。

考虑到河外中微子源可能主要由活动星系核主导，尤其是耀变体（blazar），研究人员利用存档多波段数据，对 KM3 - 230213A 的 99% 置信区域内的潜在耀变体对应体进行了普查。通过四种不同的策略，最终确定了 12 个候选物体，但目前这些关联都还不能被认为是确凿的，需要进一步研究。

此外，研究人员还检查了 ARCA、ORCA 探测器以及 ANTARES 和 IceCube 探测器的公共数据，寻找与 KM3 - 230213A 附近点源假设兼容的中微子信号。在 IceCube 数据中，在距离 KM3 - 230213A 2.4° 处发现了最大的过剩信号，预试验 P 值为，后试验 P 值为 0.07 ，但在 KM3 - 230213A 的坐标处未发现显著过剩，并且设置了单味中微子通量归一化的 90% 置信水平上限。

（四）宇宙中微子通量：衡量宇宙 “信使” 的流量

为了确定与 KM3 - 230213A 相关的中微子通量，研究人员通过模拟计算了探测器对高质量和高能轨迹的曝光量。考虑到 72 PeV - 2.6 EeV（艾电子伏特）的中心能量范围，产生一个事件的稳定各向同性通量为 ，这是 KM3NeT 独立测量的通量。

将这一通量测量结果与其他实验测量和理论预测的中微子通量及极限进行比较时发现，KM3NeT 的测量结果超过了目前 IceCube 和 Auger 的限制。这一结果可能意味着 KM3NeT 观测到的事件是一个向上的涨落，也可能暗示着中微子通量中出现了新的成分。另外，宇宙成因中微子产生的假设也与观测结果相符，在选定数据中，宇宙成因事件的预期数量在不同模型下有所差异，但都在一定范围内。

四、研究结论与意义：开启中微子天文学新征程

本研究通过 KM3NeT 探测器，成功观测到一个能量大于 100 PeV 的 μ 子中微子事件 KM3 - 230213A。这一发现为自然界中超高能中微子的存在提供了有力证据，证明了利用深海中微子望远镜探测超高能中微子的可行性，也展示了 KM3NeT 探测器在中微子天文学研究中的强大能力。

在确定中微子的能量、方向和可能的天体起源方面，研究人员克服了诸多困难，准确评估了背景影响，对各种可能的起源假设进行了全面搜索和分析。尽管目前尚未确定 KM3 - 230213A 的精确天体起源，但这些研究为后续进一步探索中微子的宇宙来源奠定了坚实基础。

此外，KM3NeT 独立测量的宇宙中微子通量为该领域提供了新的数据点，其结果与现有实验和理论模型的比较，为研究中微子通量的特性和成分提供了重要线索。无论是中微子通量的向上涨落，还是可能存在的新成分，都为未来的研究指明了方向。

从更广泛的角度来看，这项研究成果推动了中微子天文学的发展，让我们朝着解开宇宙射线起源、宇宙加速机制等谜题又迈进了一步。它不仅有助于我们更深入地理解宇宙的高能物理过程，还可能为探索宇宙的奥秘带来新的突破。随着探测器技术的不断改进和研究的深入，相信未来我们将通过中微子这一独特的 “宇宙信使”，获取更多关于宇宙的珍贵信息，开启中微子天文学的新篇章。