在遠離加拿大不列顛哥倫比亞省海岸的水下深處，是寒冷而黑暗的世界。在那里，從海底沙子上升起的一組海下浮標，用系泊纜牢牢固定在海底。沿著每條繩索，每隔一段距離都綁著一個大玻璃球，里面裝有靈敏的光探測儀器。

建造這些深海儀器的科學家不是生物學家或海洋學家，他們是物理學家和天文學家。在寒冷的太平洋海浪下2公里處，他們希望捕捉到那些狡猾的、形狀變化的、幾乎沒有質量的中微子粒子，這些粒子可能會改變我們對宇宙的看法。

粒子衰變有規律地產生中到低能中微子，物理學家大部分時間都在觀察這種中微子。每隔一段時間就會探測到一種不同的中微子，即“高能宇宙中微子”。

科學家們從這些超能力粒子的強大能量中了解到，它們一定是被銀河系外的極端物體加速的。

“這些能量真的很難想象，”阿爾伯塔大學的物理學家兼助理教授胡安·巴勃羅·亞內茲·加爾扎說，“當你考慮到如何在實驗室中加速粒子，比如大型強子對撞機，并插入宇宙中的典型磁場時，就會意識到，你需要一整個星系大小的‘加速器’來激發中微子。”

利用巨大的專門探測器，科學家們剛剛開始查明這些粒子的一些銀河外起源。弄清楚高能中微子的來源，有助于解開關于產生中微子巨型宇宙加速器的長期謎團，解決關于宇宙射線的未解答問題，甚至可以提供關于暗物質起源的線索。

太平洋上的儀器是一項名為“太平洋中微子實驗”(P-ONE)的擬議實驗的第一步，科學家們希望這項實驗能幫助他們揭開宇宙中微子的起源。

宇宙信使

由于太空的廣闊和隨處可見的阻擋視線的塵云，大部分宇宙都被光子望遠鏡所掩蓋。相反，天文學家尋找信使粒子，如中微子，以了解更多關于這些暗區域的信息，這些暗區域包括宇宙中一些能量最高的物體。中微子是理想的宇宙信使，它們與其他粒子的有限相互作用和無電荷狀態，意味著它們可以在不受磁場和塵云影響的空間中穿行。然而，這也意味著當它們到達地球時很難被捕捉到。

科學家們已經開發出了goliath探測器，希望能提高這種可能性。即便如此，捕捉高能宇宙中微子的機會還是微乎其微。在其12年的運行中，位于南極的冰立方探測器是世界上最重要的宇宙中微子觀測站之一，其探測體積為立方公里，但只探測到了幾百個。

慕尼黑技術大學的研究科學家麗莎·舒馬赫表示：“雖然有了來自冰立方的10多年數據，但我們仍然不知道大部分宇宙高能中的微子源是什么。”

我們確實知道其中一些。2018年，冰立方天文臺首次確定了高能中微子的來源：37億光年外的耀變體(blazar)。耀變體是一個由黑洞驅動的星系核心，黑洞能以接近光速的速度加速巨大噴流中的粒子。在2022年，冰立方宣布在距離4700萬光年的另一個活躍星系中發現了第二個源，科學家認為中微子和其他物質在一個巨大黑洞周圍加速。

雖然活躍星系現在已被證實是一個源，但統計分析表明，單靠它們無法解釋所有高能天體物理中微子。“我們需要更多的數據，”慕尼黑技術大學教授Elisa Resconi說，她曾與冰立方合作，“統計數據的問題是目前限制我們的因素。”

黑暗中的一盞燈

為了收集更多的數據，像雷斯科尼這樣的科學家一直在構思新的中微子觀測站。雷斯科尼率先發起了新的大規模P-ONE實驗。該實驗的目標是沿著幾條1公里長的線路建造數百個中微子探測器，旨在補充冰立方。從它位于東北太平洋的位置上，P-ONE可以從冰立方看不到的宇宙不同地方捕獲中微子。

雷斯科尼表示：“我們的想法是要有一臺類似于冰立方的望遠鏡，隨著過去十年技術的進步，這臺望遠鏡會有所改進。我們的目標是真正補充其他探測器，因為我們希望能夠合作并匯集我們的數據。”

P-ONE將以與冰立方多年來相同的方式探測中微子，尋找中微子在水或冰等介質中撞擊其他粒子時產生的微小條紋。

為了阻擋其他可以模擬這些微小條紋的大氣粒子，科學家們經常在地下安裝中微子探測器。一些中微子探測器，如加拿大的薩德伯里中微子觀測站和日本的超級神岡，都是在以前或現在正在運營的礦井中建造的。其他如俄羅斯的貝加爾深水下中微子望遠鏡和意大利與法國海岸的未來立方公里中微子望遠鏡，都是在水下深處建造的。P-ONE科學家希望增加并擴大水上艦隊的覆蓋范圍。

P-ONE在水中的位置使它比冰立方更具優勢，冰立方位于2000米深的冰川中。雖然南極的冰是高度透明的，但它的晶體結構阻止了光束沿著完美的直線傳播。由于條紋的角度和方向用于識別中微子來自天空中的何處，這種擴散使得冰立方更難識別宇宙中微子工廠。

舒馬赫表示：“探測器用P-ONE測量的總光量將比冰立方少一點，但我們可以更好地重建光的來源。”

中微子、生物發光及其它

科學家們建議在加拿大海洋網絡海洋觀測站的主干上建造P-ONE，這是世界上最大的永久性海洋基礎設施。如果他們能夠完成，P-ONE科學家將可以接入已經安裝在海底的數百公里光纜和變電站網絡，從而節省實驗時間和金錢。

作為回饋，P-ONE也可以在海洋學和生物學領域打開新的大門。額外的探測器，如水聽器或氧傳感器，可以連接到P-ONE線路上，以測量海洋的生命體征，并進行聲學斷層掃描，這使用低頻信號測量大區域的洋流和溫度。由于P-ONE的探測器是光敏的，它們也可以用來研究深海生物發光活動的長期變化。

2018年，項目科學家部署了STRAW-a，這是一個旨在測試P-ONE實驗場地適用性的儀表組，與2021年完成測試的STRAW-b一起。前期任務證明，該地點清澈的水域將成為中微子探測的良好場所。現在，科學家們正在為下一階段做準備：安裝一個原型儀器，計劃于2024年春季進行。

在原型階段，將至少有三條線路安裝在海底，每條線路配備20個探測器。這將使科學家能夠捕獲30個左右的大氣中微子，足以校準并提供概念證明。如果一切順利，P-ONE最終將由70條1000米長的線路組成，分布在一平方公里的海洋上。如果對這個項目的興趣增加了，那么這個實驗是非?？蓴U展的。

雷斯科尼表示：“有了P-ONE、冰立方和其他正在研制中的探測器，我們真的可以正確地進行中微子天文學。我們將能夠精確定位許多物體，并進行種群研究，這可以告訴我們哪些物體產生的中微子最多。”