6000多个玻璃球，将海水变成一台天文望远镜：海底的中微子望远镜

来源：科普江西

图片来源：KM3NET

撰文 达南杰·卡迪尔卡（Dhananjay Khadilkar）

翻译 张哲

在地中海西北部的海底，悬浮着126个足球大小的玻璃球，它们就在法国和意大利的海域附近。这些玻璃球可以利用海水构建出一台天文望远镜，寻来自找暗能量、超新星和中子星碰撞产生的信号。当然，这些玻璃球仅仅是“立方千米中微子望远镜”（Kilometer Cube Neutrino Telescope，KM3NeT）项目部署的第一批玻璃球。

该项目的主要目标是寻找一种基本粒子：中微子。它不带电，几乎没任何质量。瓦尔特·温特（Walter Winter，未参与该研究）是德国电子同步加速器研究中心（German Electron Synchrotron research center）的中微子天体物理学家，他说：“和宇宙射线不同，中微子不受星际空间的磁场作用，这使它可以成为一种独特的信使。中微子携带的信息非常有用，可以与电磁辐射和引力波携带的信息互为补充。”

中微子几乎不与其他粒子发生相互作用，能够直接穿过大部分物质。这种幽灵般的特性使其成为了理想的天文学研究对象。KM3NeT项目占据了法国和意大利共1立方千米（相当于40万个奥运会游泳池）的海域，海域内将部署6000多个玻璃球，每个玻璃球内都有31个非常敏感的光电倍增管探测器，它们能把周围的海水变成巨型的透镜。这些玻璃球由多根线缆固定，线底部固定在海床上，线顶部固定在浮子上，由此保障线缆紧绷。

帕斯卡尔·夸勒（Paschal Coyle）是法国马赛粒子物理研究中心（Marseille Particle Physics Center）的物理学家，也是这个项目在物理和软件工程方面的负责人。他说：“即便有100万个中微子来到这里，可能也只有一两个会与海水中氢原子或氧原子的夸克发生作用。不过，由于宇宙中微子具有很高的能量，上述作用会释放出运动速度极快的带电粒子”。

这些粒子在水中的运动速度比光在水中的速度还快，能够产生一种特殊的效应，类似喷气式飞机以超音速飞行时引发的音爆。这个过程会释放微弱的射线（即契伦科夫辐射），海底布置的传感器恰好能探测到这些信号，研究人员以此就能确定中微子的能量和运动方向。

在许多中微子天文望远镜中，“KM3NeT是独一无二的。特别值得说明的是，由于尺寸巨大，它能以迄今为止最高的分辨率探测来自南半球天空的中微子，包括中微子的能量和方向。”温特说。

这套设备在法国境内的工程计划于2024年完工，可用于探测宇宙射线与地球大气层相互作用时产生的低能量中微子。当这些粒子穿过地球时，能够以类似X射线的方式提供地球内部的一些信息。在意大利境内的工程计划于2026年完工，将用于探测离我们很远的宇宙中微子，这类中微子主要是由恒星死亡或高密度暗能量相互碰撞时释放的。

有趣的是，这些望远镜朝海底方向探测时最清晰，因为地球恰好充当挡箭牌，过滤掉了那些源源不断轰击地球的宇宙辐射，以及其中的背景粒子。中微子是目前已知唯一可以穿透地球的粒子。

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