中微子天文學：引力波之後，下一個天文研究熱點

深科技導讀：今天凌晨，LIGO正式宣布第二次探測到引力波。愛因斯坦100年前的預言終於得到了最有力的實驗驗證。其實引力波無處不在，但是就目前的檢測能力，只有當兩個大型黑洞（太陽質量的幾倍甚至十幾倍）合併這樣的超級「暴力」事件發生時，人類才能捕捉到一些信息。其實每個高能天文現象（類似超新星爆發，黑洞合併等）產生引力波的同時，還會產生另一種極小顆粒——中微子（Neutrino）。

中微子是一種比原子小的粒子，因此被稱作亞原子粒子，它和引力波一樣，都攜帶了許多重要信息。因為中微子的體積極小，很難與其他物質粒子發生相互作用，因此可以穿越很遠的距離，而檢測它們同引力波相比，就相對「簡單」多了（再次強調，只是和檢測引力波相比），所以在1956年人類就直接觀測到了中微子，而來自太陽系外的高能中微子也被人們與2013年成功捕獲。

DT君在不久前報道了目前地球上的五個最大最酷炫的的中微子探測器，其中就有2013年捕獲高能中微子的最大功臣——南極冰立方（IceCube）。宇宙中微子攜帶的信息可以幫助我們揭開很多宇宙之謎，其中包括了高維空間猜想等最前沿的問題。然而目前的儀器還不足以「捕捉」到足夠數量的中微子幫助大家解開這些謎團，因此本文的作者——斯潘塞·開爾文（Spencer Klein）呼籲建造更大的中微子望遠鏡陣列以更好更多地捕捉宇宙中高能天文現象發射的中微子。（開爾文是勞倫斯·伯克利國家實驗室原子科學分部的高級科學家，也是加州伯克利的研究科學家。）

自引力波之後，人類探索宇宙的下一個重大發現也許就藏在宇宙中微子中。

中微子天文學即將迎來爆發期。自2010年以來，南極冰立方（IceCube）實驗——5160個籃球大小的光感測器分布在1立方公里冰中——已經探測到了幾十個來自宇宙深處的高能中微子。儘管這些發現是令人驚喜的，但是也引發了更多的疑問，因為觀察到的中微子數目太少，以至於難以對它們的起源和物理特性做出可靠的推論。為了獲得關於中微子的更多信息，需要更強大的中微子探測器。

中微子是一種亞原子粒子，同其他物質粒子很難發生相互作用，因此能夠以極低的能量損失穿越極遠的距離甚至穿過整個地球。冰立方旨在探測其中能量高於100G電子伏的高能中微子。

註：微觀粒子的動能通常用電子伏做單位。1電子伏等於一個電子經過1伏特的電位差加速後所獲得的動能,約為1.6*10

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焦耳。

當宇宙射線（即來自宇宙的高能質子和重原子核）撞擊物質或光子時，就會產生高能中微子。因此地球上能被檢測到的中微子分為兩類，一類是在宇宙射線產生時釋放的，另一類則在當宇宙射線同地球大氣分子碰撞時產生出。後者比前者的數量要多了幾百倍。

許多物理學上的未解之謎可望通過中微子觀測獲得解答。謎團之一是超高能宇宙射線的來源。1962年，新墨西哥州火山農場觀測陣列偵測到數量巨大的粒子。這些粒子是能量超過10

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G電子伏的宇宙射線和地球上層大氣碰撞產生的，其能量相當於一個原子核擁有了一個飛行中的網球的動能。從那之後，又有多次高能宇宙射線被探測到。

但是50年來，物理學家仍然不知道是什麼物理機制能夠將基本粒子加速到擁有這麼高的動能。它們的動能遠遠超過地球上最大的粒子加速器——瑞士日內瓦大型強子對撞機——所能賦予粒子的動能。如果要求日內瓦強子對撞機產生動能如此高的粒子，那麼對撞機的加速軌道就要和地球繞著太陽的運行軌道一樣長。

關於中微子自身的性質也有很多未解之謎：它的精確質量是多少？它如何從一種亞型變換到另一種亞型？理論預言但尚未被觀測到的其他亞型是否存在？等等。中微子還能幫助我們尋找暗物質。雖然暗物質不能被肉眼看到，但它在宇宙、行星和星際氣體的運動中扮演重要角色。暗物質的衰變能產生高能中微子，這也是可以被探測到的。

中微子很難跟其他物質發生作用，因此需要非常大的探測器來區分來自太空的少數粒子和更多的來自地球大氣的粒子。冰立方是目前投入觀測的最大中微子探測陣列，但是它還是太小，數據採集太慢，要想取得重大成果，估計得等10年。

更大的中微子探測器——體積是冰立方的10-100倍——對於觀測宇宙中的高能現象非常重要。確定不同中微子的質量，並確定中微子與地球物質的作用方式可以證實或證偽關於高維空間的猜想，並回答高能核物理學關心的問題：重核中的膠子濃度。

中微子探測器的設計正在進行中，並可望在五年內建成並投入運行——這有賴於天文學、粒子學和核物理學諸領域的合作和聯合投資。多個中微子探測器對高能物理的推動作用，能夠以大型強子對撞機幾分之一的花費——10億美元而不是幾十億美元——獲得更多的科研成果。

問題多於答案

開爾文在2004年就投入了冰立方的籌備工作，2010年冰立方在南極投入運行。它觀測藍光：高能中微子與水或冰中的原子核撞擊產生的帶電粒子發出的藍光。計算機處理海量數據，尋找自空間某個點發射的一長串粒子的蹤跡。冰立方每年可以發現50000個疑似中微子，但是只有1%來自太空。

有幾種方法可以把來自太空的中微子和來自大氣的中微子區分開來。最大的高能現象幾乎肯定發生在宇宙。大氣產生的中微子總是伴隨著一大批其他粒子一起到來，冰面上的探測器可以看到伴生粒子。μ介子是其中一種短壽命的亞原子伴生粒子，它也可穿透冰層，數量是中微子的50萬倍。因此隨著μ介子一起到達的中微子信號很可能是在大氣中產生的，而穿過整個地球從冰立方的底部出現並被探測到的中微子和在冰立方內的某個空間點開始被探測到的中微子可能來自太空。

自從2010年，冰立方已經發現了60個疑似宇宙中微子。其他中微子探測器，例如ANTARES——法國地中海沿岸馬賽外海海底布設的感測器陣列——和俄羅斯貝加爾湖底的類似探測器，都因為體積太小沒有探測到疑似宇宙中微子。在之前的預期中，發現宇宙中微子應該更加容易，因為中微子的預期數量遠比今天觀測到的數量多。宇宙中微子觀測數目遠少於預期令我們感到困惑。

目前並未確定中微子來源於宇宙中的何處，儘管幾個研究團隊提出，銀河平面有可能是中微子的來源。諸如γ射線爆發源和星系中心之類的宇宙高能活動區域之前被人為可能產生高能宇宙射線和中微子，現在已經被分析基本排除。

γ射線爆發是短促而強大的γ射線流，可以被衛星觀測。γ射線爆發被認為是來自黑洞吞噬中子星或另一個黑洞（產生不到2秒的爆發），也可能來自超新星的坍縮過程（產生長達幾分鐘的爆發）。粒子在這些高能過程中被加速。冰立方科學家已經分析了超過800個γ射線爆發源，沒有一次γ射線爆發伴隨著中微子爆發，因此γ射線爆發最多貢獻了冰立方觀測到的宇宙中微子的1%。

AGN是星系中心的巨大黑洞，它們會加速周圍氣體，粒子能被加速到接近光速而甩出。但是冰立方沒有發現高能中微子流和星系中心發射的，指向地球的噴射粒子流之間的關係，因此星系中心最多貢獻了30%的宇宙中微子。

其他未知中微子源包括星暴星系（starburst galaxies），該星系中有孕育恆星的塵埃密集區，該區域可能會被超新星爆發擾動；磁星，它們是被強磁場包繞的中子星，能夠連續幾天以高速發出中微子，應該能夠被冰立方看到；超新星遺迹，它們的磁場不足以解釋大多數高能中微子，但是它們仍被認為是多數銀河弱宇宙射線（低於10

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電子伏）的來源。

更多的猜想尚待驗證：目前尚未觀測到的超大暗物質粒子，它吸收和釋放高能中微子；宇宙弦，它是時空的不連續點，來自宇宙大爆炸。

冰立方還檢驗了多個可能的物理理論。這些物理理論試圖解釋中微子從一種亞型變成另一種的規律，限定了暗物質的特性，並預言了來自大氣的高能粒子流的包括哪些粒子。

下一代探測器

今後有2個發展方向：增大光學陣列來收集更多中微子，或發現其他的方法來更加精確地定位來自宇宙的中微子。這些方法適用於不同能級的中微子，因此都值得獲得支持。

首先，更大的基於契倫科夫輻射的探測器可以被置於冰層、湖水、近海或遠洋——類似冰立方和ANTARES但是配備更有效的光感測器和性價比更高的配套技術。幾個研究團隊已經提出了升級版設計，但缺乏資金支持。這些探測器可以在2020年左右建成並投入運行。對於冰立方，技術升級包括更有效的鑽井技術和能夠置於更窄冰孔中的感測器。窄冰孔的鑽孔成本更低。

不同的地點有不同的好處。南極洲可以提供大塊的潔凈冰層，但是設置在北半球，比如地中海的探測器可以更直接地觀測來自銀河中心的中微子，無需費力將宇宙中微子和大氣產生的中微子區分開來，但南半球的探測器就必須做這項工作。貝加爾湖也不錯：水中鉀-40同位素含量很低，發光生物很少，它們都會干擾光感測器。此外，湖面還會在冬天結冰，這讓建造工作更加方便。

第2個方案需要捕捉動能高達10

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G電子伏的中微子。能量這麼高的中微子並不常見，連冰立方也沒見到過。它們需要有體積不小於100千米的探測器才能有效捕捉。因為契倫科夫輻射產生的光只能在冰或水中傳播幾十米，因此需要幾百萬個探測器，價格非常昂貴。

更可行的方法是探測中微子與南極冰層作用產生的無線電波。中微子撞擊冰原子核時，它們產生一批以50M赫茲到1G赫茲頻率輻射電磁波的次生帶電粒子。電磁波能穿透幾千米的冰層。因此電磁波感測陣列可以需要更少的感測器，大約1立方公里只需要1個。動能達到10

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G電子伏的中微子產生的電磁波應該足以被冰層中的天線捕捉到。2個國際合作團隊已經建立了該方案的模型，並尋求資金支持。ARIANNA是其中一個方案，開爾文是該項目成員。

待批項目

隨著多個經濟上可行的下一代探測器設計已經成熟，下一步需要啟動建造並投資。美國國家自然科學基金和其他資助單位有限的預算值是推進的主要障礙。中微子天文學的支持者是粒子物理學、核物理學和天體物理學方面的科學家們。他們正在遊說投資來實現這些項目。

首先，1-2個冰立方和ANTARES的後繼探測器應該被立項建造。升級版冰立方(IceCub-Gen2)和歐洲的立方公里中微子探測器（KM3NeT）都是不錯的候選對象。如果必要的話，冰立方、立方公里中微子探測器和俄羅斯10億噸探測器的研究團隊需要合作，在最有效的地點建立一個單獨的大探測器。資金支持可以從粒子和核物理學界的支持方獲得。

其次，至少1個100千米的無線電波探測陣列需要建立。這個項目只能在南極建立，因此只能依靠美國國家科學基金會的資助，它是南極科學研究的最大資助人，並且是唯一可能推動如此大項目的總體方。許多非美國的研究團隊也對無線電陣列感興趣，因此可以尋求國際合作。一旦該項目被批准，可以考慮到2030年將其擴展到1000千米，以檢測超高能宇宙現象。

下一代中微子探測器有望通過發現超高能中微子、宇宙射線源和驗證物理模型，帶來新的重大發現。

參考材料：

1. Halzen, F. & Klein, S. R, Phys. Today 61N5, 29–35(2008).

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4. Bahcall, J. & Waxman, E. Phys. Rev. D 64, 023002(2001).

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6. Aartsen, M. G. et al. Astrophys. J. 805, L5–L12(2015).

7. DeYoung, T. EPJ Web Conf. 116, 11004 (2016).

8. Bechtol, K. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1511.00688 (2015).

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