巨型中微子望遠(yuǎn)鏡為超高能宇宙打開(kāi)窗口

長(zhǎng)期尋求的，難以捉摸的超高能中微子(像幽靈般的粒子在宇宙尺度范圍內(nèi)傳播)是了解宇宙中最高能量的關(guān)鍵。檢測(cè)它們具有挑戰(zhàn)性，但是下一代中微子檢測(cè)器-中微子檢測(cè)巨型無(wú)線電陣列(GRAND)被設(shè)計(jì)用來(lái)找到它們。

幾十年來(lái)的一個(gè)謎：最有活力的粒子從何而來(lái)?

在過(guò)去的五十年里，天體物理學(xué)中一個(gè)主要的開(kāi)放性問(wèn)題是我們所知道的最有能量的粒子，即超高能宇宙射線(UHECR)的起源。這些是外星起源的帶電粒子(質(zhì)子和原子核)。它們的能量比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高出數(shù)百萬(wàn)倍。

能量最高的UHECR具有10 19 eV或更高的能量。這是關(guān)于由專業(yè)運(yùn)動(dòng)員踢出的足球(足球)的動(dòng)能，集中在原子核的大小上。UHECR可能是由強(qiáng)大的宇宙加速器(如活躍的超大質(zhì)量黑洞和超新星)制造的，它們位于銀河系之外，距離可觀測(cè)到的宇宙只有幾千兆帕(109帕秒?10 13公里)。但是，盡管我們做出了努力，但到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)任何單獨(dú)的宇宙射線源。

原因有兩個(gè)。首先，因?yàn)橛钪嫔渚€是帶電的，所以它們被星際空間和銀河內(nèi)部存在的磁場(chǎng)彎曲。結(jié)果，它們到達(dá)地球的方向不會(huì)指向其起源。其次，UHECR在前往地球的過(guò)程中，會(huì)隨機(jī)與滲透到宇宙中的宇宙光子場(chǎng)相互作用，尤其是在宇宙微波背景下。在相互作用中，UHECR要么被完全摧毀(因此永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)地球)，要么會(huì)損失大量能量，這進(jìn)一步加劇了它們的磁性彎曲。

幸運(yùn)的是，相同的相互作用也產(chǎn)生了副產(chǎn)物超高能中微子。我們可以將其用作查找UHECR的來(lái)源和屬性的代理。

超高能中微子

中微子是具有獨(dú)特性質(zhì)的基本粒子：它們是輕質(zhì)的，電中性的，幾乎不與物質(zhì)或光子相互作用。這使得很難檢測(cè)到它們。但這也意味著，與宇宙射線不同，超高能中微子不會(huì)受到磁場(chǎng)的彎曲，也不會(huì)在與宇宙光子相互作用時(shí)被破壞或失去能量。因?yàn)橛钪鎸?duì)它們并不透明，所以即使在最高能量下，它們也能夠從最遠(yuǎn)的地方到達(dá)地球。

中微子繼承了其母體UHECR能量的約5%。因此，大約20 19 eV(10 EeV，其中1 EeV = 10 18 eV)的中微子是由能量高20倍的UHECR產(chǎn)生的，除非到達(dá)附近，否則它們不會(huì)到達(dá)地球，因此，通過(guò)研究EeV中微子，我們?cè)谟^測(cè)到的宇宙射線能譜的最末端間接地研究200 EeV宇宙射線。由于這些宇宙射線不太可能到達(dá)地球，因此中微子是研究它們及其來(lái)源的唯一可行方法。

UHECR與宇宙微波背景在到達(dá)地球途中的相互作用中產(chǎn)生的超高能中微子稱為宇宙發(fā)生中微子(見(jiàn)圖1)。它們的能譜編碼有關(guān)其父UHECR的信息，特別是它們的能量分布質(zhì)量組成以及它們達(dá)到的最大能量。宇宙中微子還攜帶有關(guān)UHECR源總數(shù)的信息(其數(shù)量密度和距離)，可幫助縮小候選UHECR源類別的范圍。除了宇宙中微子外，超高能中微子也可以通過(guò)UHECR源內(nèi)部的相互作用而產(chǎn)生。這些中微子不同于宇宙產(chǎn)生的中微子，當(dāng)它們?cè)诘厍蛏媳话l(fā)現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)指向各個(gè)來(lái)源，因此它們能夠揭示各個(gè)UHECR來(lái)源。

GRAND檢測(cè)原理來(lái)源：中國(guó)科學(xué)出版社

然而，到目前為止，超高能中微子還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。近年來(lái)，很明顯，它們的通量很低，以至于需要發(fā)現(xiàn)和研究它們的大型中微子探測(cè)器(比現(xiàn)有的中微子探測(cè)器大)。GRAND就是這樣一種檢測(cè)器，并且專門(mén)為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。

巨人：一個(gè)雄心勃勃的下一代超高能天文臺(tái)

GRAND是一款雄心勃勃的下一代大型中微子探測(cè)器，即使通量很低，也可以發(fā)現(xiàn)超高能中微子。它將通過(guò)使用廣泛的無(wú)線電天線陣列來(lái)檢測(cè)由在地球大氣中相互作用的超高能中微子產(chǎn)生的獨(dú)特?zé)o線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

中微子通常會(huì)與物質(zhì)發(fā)生微弱的相互作用，并能夠在不停止的情況下穿越地球。但是，中微子與物質(zhì)相互作用的可能性隨其能量的增長(zhǎng)而增加。因此，到達(dá)地球的超高能中微子有很大的機(jī)會(huì)與地球內(nèi)部的地下相互作用。

當(dāng)三種已知類型的中微子之一“ tau中微子”在地下相互作用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壽命短的粒子“ tau輕子”并進(jìn)入大氣。它在那里衰減并產(chǎn)生大量新粒子，其中包括數(shù)十億個(gè)電子和正電子，它們?cè)诘厍虼艌?chǎng)的影響下發(fā)出MHz頻率范圍內(nèi)的脈沖無(wú)線電信號(hào)。可以使用在50-200 MHz范圍內(nèi)敏感的相當(dāng)簡(jiǎn)單的天線來(lái)檢測(cè)此信號(hào)。這就是GRAND的檢測(cè)原理;如圖2所示。

因?yàn)槌吣苤形⒆拥念A(yù)期通量很低，所以我們需要一個(gè)巨大的探測(cè)器來(lái)增加探測(cè)的機(jī)會(huì)。因此，GRAND的天線設(shè)計(jì)總面積為200,000 km 2，是世界上最大的無(wú)線電陣列。此外，GRAND將對(duì)超高能宇宙射線和伽馬射線產(chǎn)生的類似無(wú)線電信號(hào)敏感，使其成為通用的超高能天文臺(tái)，而不僅僅是中微子探測(cè)器。

多年來(lái)，超高能粒子的放射探測(cè)技術(shù)已被其他實(shí)驗(yàn)探索，例如皮埃爾·奧格天文臺(tái)和LOFAR。但是，GRAND的龐大規(guī)模代表了后勤方面的挑戰(zhàn)。我們將通過(guò)逐步擴(kuò)大陣列的階段來(lái)構(gòu)建GRAND來(lái)實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。在每個(gè)階段，科學(xué)目標(biāo)和研發(fā)(R&D)都將齊頭并進(jìn)。

目前，位于中國(guó)青海省冷湖鎮(zhèn)附近的300天線工程陣列GRANDProto300正在建設(shè)中。研究躍遷能已經(jīng)足夠靈敏了，在該躍遷能中，觀測(cè)到的宇宙射線的起源開(kāi)始由河外源主導(dǎo)。它還將搜索來(lái)自天體事件的瞬態(tài)無(wú)線電信號(hào)，例如快速無(wú)線電脈沖和巨大無(wú)線電脈沖。

下一階段，GRAND10k將包含10,000個(gè)天線。這將是GRAND的第一階段，該階段足夠大，將為探測(cè)超高能中微子提供第一個(gè)機(jī)會(huì)。GRAND10k的建設(shè)預(yù)計(jì)將在大約五年內(nèi)開(kāi)始。GRAND10k還將檢測(cè)創(chuàng)紀(jì)錄數(shù)量的超高能宇宙射線，并實(shí)現(xiàn)對(duì)超高能伽馬射線的最佳靈敏度。

最后的目標(biāo)階段，GRAND200k將包含200,000根天線。這些天線將在幾個(gè)(大約20個(gè))不同的“熱點(diǎn)”中設(shè)置，這是世界上有利的，無(wú)線電安靜的位置。在這一階段，GRAND將發(fā)揮其全部物理潛能，特別是對(duì)超高能中微子的最佳靈敏度。GRAND200k計(jì)劃在2030年代推出。創(chuàng)建GRAND所需的豐富的科學(xué)案例和富有挑戰(zhàn)性的研發(fā)工作吸引了來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家一起合作。正在準(zhǔn)備通過(guò)不同機(jī)構(gòu)之間的諒解備忘錄來(lái)正式確定GRAND組織結(jié)構(gòu)的步驟。此外，青海政府正在提供必要的基礎(chǔ)設(shè)施，并確保GRAND10K網(wǎng)站不包含人為背景的資源。除了帶來(lái)偉大的科學(xué)成果外，GRAND也可能成為在中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行真正的全球科學(xué)合作的成功典范。