宇宙中平均每秒都有好几颗恒星在爆炸。
这种爆炸叫超新星。一颗比太阳重很多倍的恒星烧完燃料后,核心会在1秒之内塌缩,把外层物质轰进太空。不过,爆炸的光和热只是零头,超新星释放的能量里约99%由一种幽灵般的粒子带走,它叫中微子。
中微子不带电,轻到曾被认为没有质量,能像穿过空气一样穿过整个地球,几乎不和任何东西发生反应。正因为如此,从宇宙诞生至今,超新星喷出的中微子一颗都没消失,138亿年攒下来,弥漫在宇宙的每个角落。此刻就有一批来自远古死亡恒星的中微子正穿过你的身体,而你毫无感觉。
物理学家把这片无处不在的遗迹叫作弥散超新星中微子背景。几十年来,它只存在于理论计算里,没有任何仪器真正探测到过。而近日在美国加州大学欧文分校举行的国际中微子物理与天体物理大会上,日本超级神冈实验团队宣布:人类第一次找到了这个背景存在的迹象。这项国际合作有来自60所大学和研究机构的约250名研究人员参与。
超级神冈探测器藏在日本岐阜县一座矿山地下1000米深处,主体是一个装着5万吨超纯水的巨型水罐,容量差不多相当于20个奥运会标准泳池,内壁挂着约1.3万只灯泡模样的光电传感器。中微子虽然难缠,但只要水足够多,总有极少数会撞上水分子,撞击瞬间激起一道极暗的蓝光,叫切伦科夫光。那些传感器盯着一池漆黑的水,等的就是这一闪。埋到地下1000米,是为了拿整座山当盾牌,挡住来自太空的宇宙线,否则探测器里全是杂音。
1987年,超级神冈的前身神冈探测器逮到过来自邻近星系一颗超新星的11个中微子,那是人类唯一一次听清单颗超新星的声音。但这种好事平均几十年才碰上一次。与其干等下一颗,团队换了个思路:宇宙每秒都在爆好几颗,把古往今来所有超新星的中微子加在一起,那个微弱但一直存在的背景,理论上也能听见。
为了听清它,超级神冈在几年前往水里加了一味作料:稀土元素钆。中微子其实是一个家族,这次要抓的是其中的电子反中微子。它撞上水分子时,除了激起那道蓝光,还会产生一个中子;中子被钆俘获后,紧接着再发出第二道闪光。两道闪光一前一后配成对,等于给真信号盖了个戳,能把它从满池杂音里挑出来。
研究团队把近5000天的观测数据合在一起分析,包括纯水阶段和加钆阶段的数据,加起来约13年半。结果,在预期的能量范围内,信号确实比已知杂音的总和多出了一截。
这一截有多可信?统计显著性是2.6个标准差,意思是它纯属随机涨落巧合的概率只有约1/200,置信度99.5%。放在日常生活里足够拍板了,但粒子物理的规矩严得多:要宣布发现,得把巧合的概率压到1/350万以下,也就是5个标准差。所以团队的措辞很克制,这只是一个迹象,还算不上定论。
即便只是迹象,分量也不轻。宇宙微波背景辐射告诉我们大爆炸后38万年的样子,而弥散超新星中微子背景记录的是此后所有大质量恒星死亡的历史,每一代恒星怎样形成,怎样燃烧,怎样在生命尽头坍缩成中子星或黑洞,又在爆炸中合成出哪些重元素。你骨头里的钙、血液里的铁,出自超新星爆炸。真正测准这个背景,等于拿到一份宇宙恒星的生死簿。
下一步,团队打算继续攒数据,并把超级神冈的后续观测和正在建设的继任者顶级神冈结合起来,进一步提高灵敏度。日本东京大学的实验发言人关谷洋之说,捕捉这个背景是超级神冈立项之初就怀有的夙愿。
从1996年注水运行到今天,这台探测器盯着黑暗中的水池看了30年,才等来这声若有若无的耳语。2.6个标准差,还不够画上句号。但宇宙的底噪在数据里露出了轮廓。剩下的,是时间和更大的水箱。
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图一:在宇宙各处,超新星爆发平均每秒发生好几次。自宇宙诞生以来,这些超新星喷出的中微子在太空中扩散,随时间不断累积,图源:东京大学宇宙线研究所神冈观测站图二:超级神冈探测器设施。往水中加入钆之后,电子反中微子的信号能被更有效地分辨和探测,图源:东京大学宇宙线研究所神冈观测站
信源:"Cosmic neutrino 'whispers' may surface in 5,000-day Super-Kamiokande signal." phys.org, 3 July 2026

