標籤：

要探測到來自活動星系核的中微子，需要多大的探測器？

02-05

本問題來自俄亥俄州立大學「天體物理數量級估計」討論課（Order-of-Magnitude Astrophysics），原題為：

How big a detector is required to detect neutrinos from active galactic nuclei?

#P11@Astroom

希望關於量級分析的討論不要停下來，就算不會也可以試著學點兒東西

個人感覺感覺要考慮三點：

1) 活動星系核產生中微子的機制是什麼？

2) 活動星系核產生中微子的能量在什麼量級？

3) 中微子探測器"大小"和探測靈敏度什麼關係？

而這三點。。。我，我全都不懂。。。

於是我Google了一下，找到一篇綜述：http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/bib_query?arXiv:1511.01590

拋個磚吧，權當給真正的牛人提供思路了。。。有錯誤請指出

  • AGN是重要的高能宇宙線來源，可以通過磁鏡反射的費米機制或者噴流裡面的隨機加速機制加速宇宙線粒子到很高能量；而大質量黑洞附近的光學和X-ray光子(吸積盤的輻射)輻射也很強；宇宙線粒子和光子的相互作用可以效率很高，提供了產生中微子的途徑
    • 射電噪AGN的噴流，以及射電噪和寧靜AGN的核心都能提供宇宙線加速的機制；但其中噴流幾乎正對著我們的蠍虎座BL天體是最有希望的候選; 對宇宙線加速模型的考慮可以給出宇宙線的能譜，從而決定了其產生的中微子的能量分布；對於BL Lac，其peak的能量可以很高，在10-100 PeV

    • 宇宙線和光子相互作用的效率和提供光子的吸積盤光度也有關係

  • 按照這個簡單的模型，現在的探測器，比如IceCube應該已經可以看到這些高能中微子；但是並沒有可靠的探測，大概說明簡單的射電噪星系的噴流模型還是過於簡單或者有缺陷。。。參考：Constraints on ultra-high-energy cosmic ray sources from a search for neutrinos 「Our limit
    disfavors a significant part of parameter space for active galactic
    nuclei and new-born pulsar models.
    」

樓主可以參考上周的TeVPa 會議 TeV Particle Astrophysics 2016 (12-16 September 2016)

click Timetable to view talks.

Btw, the next TeVPa conf. will be hosted by OSU.

AGN 論其多樣性，簡直如同動物園，理論模型上參數眾多，不確定性極大。 如果它電磁輻射全部來源於電子，那幾乎不會產生什麼中微子。因為目前該模型 (leptonic model) 已經可以解釋大部分AGN的輻射現象，我們立即知道，為了應付這種最為悲觀的情況，你要準備建造一個無限大的中微子探測器。

說正事... 考慮到這是個討論課程，題主可以做出簡單的假設，比如，中微子都來自於AGN內部高能質子和光子的反應，然後對這些質子和光子做一些估計。

1） 比如假設宇宙線都來源於AGN，這樣就得到了質子的 budget ；（ 這是個 upper bound）

and

2） 假定光子都來自於 jet 的某個部位， 你自己規定部位和三維 (b.c. nobody knows)， 看看光子密度如何，再根據中微子反應的 cross section ，推算一下有多大比例質子參與了製造中微子，從而推算中微子流。

or

3） 或者更簡單地，不需要知道質子有多少，你可以乾脆假設AGN的伽馬射線都來自於製造中微子反應的副產品，來自neutral pion 衰變，然後反推中微子的流量是多少。 它應該和伽馬射線的 luminosity 成正相關。 這也是 IceCube 常採用的模型。

第3條還有一個簡化計算的bonus，你不需做AGN的人口普查， 因為已經公認，blazar,作為AGN的一個子集，貢獻了Fermi探測到的大部分 extra-galactic diffuse gamma-ray background (EGRB), 拿這個事實加上本假設，就立即知道 diffuse neutrino flux 有多少。

以上顯然都是過度簡化的假設。本人對它們在多大程度上成立概不負責。

最後再夾雜一點私貨。 因為對於IceCube 中微子的來源，目前已經基本排除了GRB，如果排除AGN，那麼事情就變得非常有趣了，因為EGRB基本是blazar乾的，而尋常渠道的中微子，必然伴隨著那麼多的伽馬射線。 那將說明，產生中微子的源，要麼把這些伴生的伽馬射線都吸收掉了，要麼中微子不是由這個尋常渠道產生的。 這樣的源一定不是我們目前所熟悉的東西。 排除blazar 還需要打一場骯髒的數值模擬和數據分析的惡仗，讓我們期待這個結論。

PS: 高能中微子探測器，向來綠色天然，除了IceCube已經用了南極的大冰蓋，KM3NET 利用海水以外，還有人提議利用整個月球或者木星當做探測器的介質，然後架一大望遠鏡觀測中微子反應引起的特徵輻射。 不知道有沒有人提議用太陽，我不知道太陽的干擾是不是太大了。 總之， dream big!

OSU這個對我來說太複雜了。還是等大神解答吧。

要我作弊一下就是不考慮活動星系核這個變數，太大了。那我知道在1987年神岡就已經發現了大麥哲倫雲中超新星1987A爆炸時所產生的中微子。神岡的大小百度搜一下。而我們大亞灣和冰立方也更有絕對能力做到。事實上冰立方30%的中微子都是來自活動星系核。只不過和噴流對不上號而已。如果想和噴流對上號。那大小。。。總之非常非常貴。

好我屁話完了。等大神解答

謝邀，但是我也不太懂。只能說說我的理解，很有可能是錯的，大家就隨意看看，然後盡情打臉好了。

答案:我覺得中微子要被測到，應該與探測器接觸(邏輯存疑)。如果是這樣，那就與中微子的碰撞截面有關。中微子的碰撞截面很低，意味著中微子很難撞上探測器，所以探測器應該很大。不過這也取決於中微子源，如果中微子源比較強，探測器相應也會減小。另外，我擔心中微子會衰變(純屬猜測)，萬一是真的，而且半衰期很短(沒裝上之前就衰變了)，那麼探測器也要相應增大。

純屬個人歪歪，歡迎批評指正，盡情打臉。

比地球大，以地球現在的科技來說

推薦閱讀：

TAG:天文學 | 天體物理學 | 中微子 | 粒子物理學 | Astroom |