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标题: “波”“粒”二象探测极高能中微子 [打印本页]
作者: 老狮    时间: 2023-1-10 10:49
标题: “波”“粒”二象探测极高能中微子
01
极高能中微子
中微子是构成物质天下的基本微观粒子之一，于1930年由著名物理学家沃尔夫冈·泡利提出。中微子具有微小但非零的质量，不带电，和物质相互作用很弱，在宇宙空间中沿直线传播，可以轻易穿透天体乃至整个宇宙，因此是回溯劈头天体、展现天体内部性子的重要信使。当下，中微子依然是物理学和天文学范畴的热门课题。本文将先容极高能中微子——能量从百 PeV（1 PeV = 1015 eV）至百 EeV (1 EeV = 1018 eV )，它们的产生很可能与宇宙线劈头这一持续了凌驾一百年的重要科学题目密切相干。
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不同实行测得的极高能宇宙线能谱，在高能段出现了有趣的“膝”结构和“踝”结构。丨 图源：维基百科
02
射电探测
极高能段的中微子流量极低，按照踝区能段（1018~1019 eV）的带电宇宙线能谱的丈量结果，一平方千米面积的地面均匀一年才能收集到一个宇宙线粒子！极高能中微子的事例率更低，其探测效率也更低，因此需要极大面积的探测阵列去收集事例。
〇 传统方法：粒子探测
目前宇宙线探测实行主要分为直接探测（基于卫星大概高空气球），以及地面间接探测。这两类方法各有侧重且相互增补，近些年都取得了一些很好的进展。地面间接探测所采取的探测方法主要包括粒子计数型探测器（包括闪耀体探测器，气体探测器和水切伦科夫探测器）、大气荧光望远镜、大气切伦科夫成像望远镜等。这些范例的实行主要探测空气簇射产生的次级粒子和荧光、切伦科夫光子，可以看作粒子型实行。
粒子型探测器一般本钱较高，后两类探测器单个规模一般较大，以至于无法大体量、大面积举行结构（这里指数千平方公内里积以及更大地区），因此对于极高能中微子的探测具有短板。
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传统地面空气簇射实行的基本构型丨 图源：维基百科
〇 新型方法：射电探测
对于地面实行，极高能宇宙线进入大气后的簇射过程像雪崩效应一样在地球大气层中充分发展，到达地面时可能覆盖近平方公里的地区面积。大气簇射过程产生的正负带电次级粒子，极容易受到地球磁场的偏转，正负粒子在地磁场中自然地分开形成电场，这个电场随着簇射的演化而变化，从而产生电磁辐射！这种电磁波约在几十兆到百兆赫兹短波频段（~100 MHz，波长约3米），这为宇宙射线的射电探测提供了物理依据。
在科学目的需要的情况下，也可以在射电探测天线阵列中少量放一些辅助的粒子探测器，真正实现“波”与“粒子”的协同丈量。事实上，在上世纪60年代，科学家已经探测到这种极高能宇宙线产生的电磁辐射，但由于技能缘故原由和粒子探测器方向的快速发展，基于射电辐射探测极高能宇宙线在几十年中进展迟钝。
进入本世纪后，得益于人类在半导体器件、集成电路等方面的快速发展，快速数字化读出方案变得可行，使得探测极高能宇宙线产生的射电辐射成为可能；同时，理论科学家从第一性原理出发，更好地明确了大气簇射产生射电辐射的物理过程，并得到几个探路者实行的验证。
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极高能宇宙线陪同射电辐射的示意图像丨图源：维基百科
〇 射电探测的优点

射电探测方案为何得到重生和青睐？缘故原由在于：
〇 射电探测高能中微子
国际上目前有一些大型的地面实行阵列在极高能宇宙线探测范畴已经取得一些显著的进展，但针对极高能中微子宇宙线的探测仍然是科学界的一大困难。借助射电探测方法，通过大规模地布置地面天线，可以探测那些大角度入射大概穿过山体的中微子。
作为前期的阶段性目的，极高能带电宇宙线的射电探测则更加容易实现，且带电宇宙线信使同样可以解答非常重要的科学题目。一个富有挑衅性的课题是鉴别极高能宇宙线的身分（即质量数），这对于明确极高能宇宙线劈头、传播非常重要，而射电探测有望得到目前最好的丈量结果。
不过需要留意的是，由于银河系存在射电配景，该方法可以大概探测的宇宙线能量阈值大约为几十 PeV（1016 eV），更低能的粒子产生的射电信号将淹没在银河系射电配景中而很难被辨认出来。
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GRAND实行极高能宇宙线射电探测示意图 ▏图源：GARND科学白皮书
03
中国的探路者
依托于我国此前在新疆天山地区举行的“宇宙第一缕曙光探测”研究项目，一个由中、法科学家构成的国际团队在天山地区举行了宇宙线的射电探测，发展了基于射电探测天线的自触发方法，使得大规模布置射电天线举行极高能宇宙线探测这一起线更加坚实！该实行英文全称The Tianshan radio experiment for neutrino detection （简称TREND）。
由于人迹罕至，且实行站址附近高山环伺，当地的射电情况非常干净，天线对低频射电信号非常敏捷，通过多个天线在极短的时间内被触发举行事例判选。TREND项目乐成探测到一些极高能宇宙线事例，证实白射电探测的可行性，同时借助高山作为宇宙线的屏蔽体举行极高能中微子探测。

中国科学院紫金山天文台正牵头构造与国表里多个研究所和大学一起，在我国西部地区选择符合的站址举行更大规模的宇宙线探测项目（Giant Radio Array for Neutrino Detection, GRANDProto 300），即先开展约300架天线规模的实行。近几年项目组先后实地调研了青海省、甘肃省的部门地区，丈量了当地的电磁情况，初步选定了实行站址，并与当地当局达成初步相助意愿。同时，射电探测天线颠末数年的发展迭代，目前已批量生产了上百架天线，数字化读出电子学装备等正在调试中，其他工作，包括国际相助、数据分析软件框架等正有条不紊的举行。
04
向未来出发！
探索宇宙是人类永恒的寻求。宇宙中的一些极端物理过程产生极高能中微子和宇宙线，它们的能量远超人造加速器能达到的能量，提供给我们明确极高能量下物理征象和规律的重要工具。GRAND所关注的低频射电辐射在已有的射电天文实行中很少涉及，因此在低频射电天文研究方面也有可能带来不测惊喜。尤为重要的是在中国广袤的西部地区存在大量射电宁静的优秀候选站址，为我们开展相干实行研究提供了独特的机会。相信通过持续的技能研发和精心的科学准备，在不久的将来我们将可以搭建起射电中微子探测的实行阵列，做出重要的科学发现，提拔我国在极高能宇宙线和中微子范畴的表现度和影响力。
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（左）定型的两个探测单元，（右）放置在紫台的三台测试用天线探测单元丨图源：GRAND团队
参考文献：
J.A. Ivarez-Mun et al. (The GRAND Collaboration) Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 219501 (2020) (GRAND 项目白皮书)


泉源：中国科学院紫金山天文台



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