巨型中微子望遠鏡為超高能宇宙打開窗口

長期尋求的，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鍵。檢測它們具有挑戰(zhàn)性，但是下一代中微子檢測器-中微子檢測巨型無線電陣列(GRAND)被設計用來找到它們。

幾十年來的一個謎：最有活力的粒子從何而來?

在過去的五十年里，天體物理學中一個主要的開放性問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(質子和原子核)。它們的能量比大型強子對撞機高出數(shù)百萬倍。

能量最高的UHECR具有10 19 eV或更高的能量。這是關于由專業(yè)運動員踢出的足球(足球)的動能，集中在原子核的大小上。UHECR可能是由強大的宇宙加速器(如活躍的超大質量黑洞和超新星)制造的，它們位于銀河系之外，距離可觀測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)任何單獨的宇宙射線源。

原因有兩個。首先，因為宇宙射線是帶電的，所以它們被星際空間和銀河內(nèi)部存在的磁場彎曲。結果，它們到達地球的方向不會指向其起源。其次，UHECR在前往地球的過程中，會隨機與滲透到宇宙中的宇宙光子場相互作用，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(因此永遠不會到達地球)，要么會損失大量能量，這進一步加劇了它們的磁性彎曲。

幸運的是，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的來源和屬性的代理。

超高能中微子

中微子是具有獨特性質的基本粒子：它們是輕質的，電中性的，幾乎不與物質或光子相互作用。這使得很難檢測到它們。但這也意味著，與宇宙射線不同，超高能中微子不會受到磁場的彎曲，也不會在與宇宙光子相互作用時被破壞或失去能量。因為宇宙對它們并不透明，所以即使在最高能量下，它們也能夠從最遠的地方到達地球。

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，除非到達附近，否則它們不會到達地球，因此，通過研究EeV中微子，我們在觀測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地球，因此中微子是研究它們及其來源的唯一可行方法。

UHECR與宇宙微波背景在到達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(見圖1)。它們的能譜編碼有關其父UHECR的信息，特別是它們的能量分布質量組成以及它們達到的最大能量。宇宙中微子還攜帶有關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，當它們在地球上被發(fā)現(xiàn)時，它們會指向各個來源，因此它們能夠揭示各個UHECR來源。

GRAND檢測原理來源：中國科學出版社

然而，到目前為止，超高能中微子還沒有被發(fā)現(xiàn)。近年來，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器(比現(xiàn)有的中微子探測器大)。GRAND就是這樣一種檢測器，并且專門為應對這一挑戰(zhàn)而設計。

巨人：一個雄心勃勃的下一代超高能天文臺

GRAND是一款雄心勃勃的下一代大型中微子探測器，即使通量很低，也可以發(fā)現(xiàn)超高能中微子。它將通過使用廣泛的無線電天線陣列來檢測由在地球大氣中相互作用的超高能中微子產(chǎn)生的獨特無線電信號來實現(xiàn)這一目標。

中微子通常會與物質發(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，中微子與物質相互作用的可能性隨其能量的增長而增加。因此，到達地球的超高能中微子有很大的機會與地球內(nèi)部的地下相互作用。

當三種已知類型的中微子之一“ tau中微子”在地下相互作用時，它會產(chǎn)生一個壽命短的粒子“ tau輕子”并進入大氣。它在那里衰減并產(chǎn)生大量新粒子，其中包括數(shù)十億個電子和正電子，它們在地球磁場的影響下發(fā)出MHz頻率范圍內(nèi)的脈沖無線電信號?？梢允褂迷?0-200 MHz范圍內(nèi)敏感的相當簡單的天線來檢測此信號。這就是GRAND的檢測原理;如圖2所示。

因為超高能中微子的預期通量很低，所以我們需要一個巨大的探測器來增加探測的機會。因此，GRAND的天線設計總面積為200,000 km 2，是世界上最大的無線電陣列。此外，GRAND將對超高能宇宙射線和伽馬射線產(chǎn)生的類似無線電信號敏感，使其成為通用的超高能天文臺，而不僅僅是中微子探測器。

多年來，超高能粒子的放射探測技術已被其他實驗探索，例如皮埃爾·奧格天文臺和LOFAR。但是，GRAND的龐大規(guī)模代表了后勤方面的挑戰(zhàn)。我們將通過逐步擴大陣列的階段來構建GRAND來實現(xiàn)此目標。在每個階段，科學目標和研發(fā)(R&D)都將齊頭并進。

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

下一階段，GRAND10k將包含10,000個天線。這將是GRAND的第一階段，該階段足夠大，將為探測超高能中微子提供第一個機會。GRAND10k的建設預計將在大約五年內(nèi)開始。GRAND10k還將檢測創(chuàng)紀錄數(shù)量的超高能宇宙射線，并實現(xiàn)對超高能伽馬射線的最佳靈敏度。

最后的目標階段，GRAND200k將包含200,000根天線。這些天線將在幾個(大約20個)不同的“熱點”中設置，這是世界上有利的，無線電安靜的位置。在這一階段，GRAND將發(fā)揮其全部物理潛能，特別是對超高能中微子的最佳靈敏度。GRAND200k計劃在2030年代推出。創(chuàng)建GRAND所需的豐富的科學案例和富有挑戰(zhàn)性的研發(fā)工作吸引了來自不同國家的科學家一起合作。正在準備通過不同機構之間的諒解備忘錄來正式確定GRAND組織結構的步驟。此外，青海政府正在提供必要的基礎設施，并確保GRAND10K網(wǎng)站不包含人為背景的資源。除了帶來偉大的科學成果外，GRAND也可能成為在中國領導下進行真正的全球科學合作的成功典范。