每秒鐘有數萬億個中微子穿過我們的身體，為何難以捕捉到它們？

前沿：中微子是構成原子的基本粒子之一，質量非常小，且不帶電、與其他物質的相互作用極小。因此我們需要足夠大的中微子探測器，才能捕捉到中微子。與宇宙射線不同的是，超高能中微子不容易因磁場彎曲，也不會在受到宇宙中光子的影響，這是我們難以捕捉到它們的主要原因。

出品：川陀太空（總字數：1615字）

中微子，這是一個上個世紀末才被發現的基本粒子，從預言到發現只有20多年的時間，被認為是宇宙中的“隱身粒子”，難以捕捉到。2013年，科學家利用南極的冰立方探測器捕捉到第一個高能中微子，才確定其存在於宇宙中。2013年至今也才6年的時間，科學家在這些年內發現了中微子多種特點，且在宇宙中數量極為龐大。舉個例子，每秒鐘有數萬億個中微子穿過我們的身體，但是我們卻難以捕捉到它們。科學家同時也發現，中微子的起源是宇宙中一些高能事件，比如超新星爆發。今天我們就來說說中微子的起源和基本性質，以及為何難以捕捉。

圖注：地球每時每刻都會接受來自宇宙中的中微子“穿越”

高能中微子的起源

這是一個困擾科學界數十年來的謎團，高能量粒子（高能中微子）的起源是什麼？科學家在探索宇宙最高能量的過程中，超高能中微子如幽靈一般難以捕捉。探測超高能中微子具有一定的難度，需要諸如GRAND中微子探測器的裝置。原子是由帶正電的原子核和圍繞原子核運動的電子所組成的，宇宙射線則是起源於地外天體事件的超高能量源，也是帶電粒子，具有比大型強子對撞機還要大數百萬倍的能量。

圖注：這是位於加拿大的中微子探測器，可以看出其埋藏在一個巖體內

超高能宇宙射線的能量可達到10的19次方電子伏特，甚至更高。超高能宇宙射線很有可能由超高能中微子引出，例如星系中央的超大質量黑洞、超新星爆發，位於可觀測宇宙的遙遠區域。不過經過科學界的研究，一直還沒有發現宇宙射線的具體來源是什麼，主要有兩個原因：

第一個原因是，宇宙射線帶有電荷，這些粒子被星際系空間、銀河系內的磁場扭曲了。所以我們並不能通過它們到達地球的軌跡來判斷出它們的起源；第二個原因是，這些粒子到達地球的過程中，超高能宇宙射線與宇宙光子場隨機進行互相影響，尤其是與宇宙微波背景之間的互相影響。這些相互影響導致了超高能宇宙射線的悲慘命運，要麼被完全破壞殆盡，最終無法成功到達地球，要麼喪失大部分的能量。對我們而言的一個好消息是，這樣的相互影響同時也產生次級宇宙線。通過這些中微子，科學界能夠找到超高能宇宙射線的起源和屬性。

圖注：中微子與其他物質的相互作用極小

高能中微子性質決定了其難以捕捉

中微子是構成原子的基本粒子之一，質量非常小，且不帶電、與其他物質的相互作用極小。需要足夠大的中微子探測器，才能觀測到足夠量的中微子。與宇宙射線不同的是，超高能中微子不容易因磁場彎曲，也不會在受到宇宙中光子的一絲影響。因此宇宙空間環境對中微子而言並不是什麼敵人，中微子是可以順利到達地球的，即便它是以最高的能量、從遙遠的宇宙飛來。

中微子從超高能宇宙射線中獲得大約5%的能量，一般情況下超高能宇宙射線可產生能量為10的19次方電子伏特的中微子。由於這些宇宙射線基本上不可能到達地球，中微子就成為科學界研究這些宇宙射線及其來源的唯一途徑。

圖注：超新星、黑洞都是高能宇宙射線的起源

高能中微子是在超高能宇宙射線和宇宙微波背景相互影響下產生的。它們的能譜能夠對來自超高能宇宙射線的信息進行編碼，從而分析其能譜質量組成部分以及最大的能量限度。宇宙學的中微子還包含已知超高能宇宙射線的總數（包括密度和距離），這些都有助於縮小備選的資源範圍。除了宇宙中微子，超高能宇宙射線資源也能產生超高能中微子。這些中微子與宇宙中微子不太一樣，我們對其的探測可能會指向獨特的來源，所以高能中微子也是揭開超高能宇宙射線來源的重要線索。

圖注：位於南極的冰立方探測器

綜上所述，高能中微子與宇宙射線之間是相輔相成的關係，我們要探測到宇宙射線，就要先搞定高能中微子。高能中微子與其他物質的相互作用極小，導致了我們無法進行直接探測，除非有更強大、更靈敏的探測器。