中微子天文学：引力波之后，下一个天文研究热点

导读：今天凌晨，LIGO正式宣布第二次探测到引力波。爱因斯坦100年前的预言终于得到了最有力的实验验证。其实引力波无处不在，但是就目前的检测能力，只有当两个大型黑洞（太阳质量的几倍甚至十几倍）合并这样的超级“暴力”事件发生时，人类才能捕捉到一些信息。其实每个高能天文现象（类似超新星爆发，黑洞合并等）产生引力波的同时，还会产生另一种极小颗粒——中微子（Neutrino）。

中微子是一种比原子小的粒子，因此被称作亚原子粒子，它和引力波一样，都携带了许多重要信息。因为中微子的体积极小，很难与其他物质粒子发生相互作用，因此可以穿越很远的距离，而检测它们同引力波相比，就相对“简单”多了（再次强调，只是和检测引力波相比），所以在1956年人类就直接观测到了中微子，而来自太阳系外的高能中微子也被人们与2013年成功捕获。

2013年捕获高能中微子的最大功臣——南极冰立方（IceCube）。宇宙中微子携带的信息可以帮助我们揭开很多宇宙之谜，其中包括了高维空间猜想等最前沿的问题。然而目前的仪器还不足以“捕捉”到足够数量的中微子帮助大家解开这些谜团，因此本文的作者——斯潘塞·开尔文（Spencer Klein）呼吁建造更大的中微子望远镜阵列以更好更多地捕捉宇宙中高能天文现象发射的中微子。（开尔文是劳伦斯·伯克利国家实验室原子科学分部的高级科学家，也是加州伯克利的研究科学家。）

自引力波之后，人类探索宇宙的下一个重大发现也许就藏在宇宙中微子中。

中微子天文学即将迎来爆发期。自2010年以来，南极冰立方（IceCube）实验——5160个篮球大小的光传感器分布在1立方公里冰中——已经探测到了几十个来自宇宙深处的高能中微子。尽管这些发现是令人惊喜的，但是也引发了更多的疑问，因为观察到的中微子数目太少，以至于难以对它们的起源和物理特性做出可靠的推论。为了获得关于中微子的更多信息，需要更强大的中微子探测器。

 

中微子是一种亚原子粒子，同其他物质粒子很难发生相互作用，因此能够以极低的能量损失穿越极远的距离甚至穿过整个地球。冰立方旨在探测其中能量高于100G电子伏的高能中微子。

注：微观粒子的动能通常用电子伏做单位。1电子伏等于一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的动能,约为1.6*10^-19焦耳。

当宇宙射线（即来自宇宙的高能质子和重原子核）撞击物质或光子时，就会产生高能中微子。因此地球上能被检测到的中微子分为两类，一类是在宇宙射线产生时释放的，另一类则在当宇宙射线同地球大气分子碰撞时产生出。后者比前者的数量要多了几百倍。

 

许多物理学上的未解之谜可望通过中微子观测获得解答。谜团之一是超高能宇宙射线的来源。1962年，新墨西哥州火山农场观测阵列侦测到数量巨大的粒子。这些粒子是能量超过10¹¹G电子伏的宇宙射线和地球上层大气碰撞产生的，其能量相当于一个原子核拥有了一个飞行中的网球的动能。从那之后，又有多次高能宇宙射线被探测到。

但是50年来，物理学家仍然不知道是什么物理机制能够将基本粒子加速到拥有这么高的动能。它们的动能远远超过地球上最大的粒子加速器——瑞士日内瓦大型强子对撞机——所能赋予粒子的动能。如果要求日内瓦强子对撞机产生动能如此高的粒子，那么对撞机的加速轨道就要和地球绕着太阳的运行轨道一样长。

关于中微子自身的性质也有很多未解之谜：它的精确质量是多少？它如何从一种亚型变换到另一种亚型？理论预言但尚未被观测到的其他亚型是否存在？等等。中微子还能帮助我们寻找暗物质。虽然暗物质不能被肉眼看到，但它在宇宙、行星和星际气体的运动中扮演重要角色。暗物质的衰变能产生高能中微子，这也是可以被探测到的。

中微子很难跟其他物质发生作用，因此需要非常大的探测器来区分来自太空的少数粒子和更多的来自地球大气的粒子。冰立方是目前投入观测的最大中微子探测阵列，但是它还是太小，数据采集太慢，要想取得重大成果，估计得等10年。

更大的中微子探测器——体积是冰立方的10-100倍——对于观测宇宙中的高能现象非常重要。确定不同中微子的质量，并确定中微子与地球物质的作用方式可以证实或证伪关于高维空间的猜想，并回答高能核物理学关心的问题：重核中的胶子浓度。

中微子探测器的设计正在进行中，并可望在五年内建成并投入运行——这有赖于天文学、粒子学和核物理学诸领域的合作和联合投资。多个中微子探测器对高能物理的推动作用，能够以大型强子对撞机几分之一的花费——10亿美元而不是几十亿美元——获得更多的科研成果。

问题多于答案

开尔文在2004年就投入了冰立方的筹备工作，2010年冰立方在南极投入运行。它观测蓝光：高能中微子与水或冰中的原子核撞击产生的带电粒子发出的蓝光。计算机处理海量数据，寻找自空间某个点发射的一长串粒子的踪迹。冰立方每年可以发现50000个疑似中微子，但是只有1%来自太空。

 

有几种方法可以把来自太空的中微子和来自大气的中微子区分开来。最大的高能现象几乎肯定发生在宇宙。大气产生的中微子总是伴随着一大批其他粒子一起到来，冰面上的探测器可以看到伴生粒子。μ介子是其中一种短寿命的亚原子伴生粒子，它也可穿透冰层，数量是中微子的50万倍。因此随着μ介子一起到达的中微子信号很可能是在大气中产生的，而穿过整个地球从冰立方的底部出现并被探测到的中微子和在冰立方内的某个空间点开始被探测到的中微子可能来自太空。

自从2010年，冰立方已经发现了60个疑似宇宙中微子。其他中微子探测器，例如ANTARES——法国地中海沿岸马赛外海海底布设的传感器阵列——和俄罗斯贝加尔湖底的类似探测器，都因为体积太小没有探测到疑似宇宙中微子。在之前的预期中，发现宇宙中微子应该更加容易，因为中微子的预期数量远比今天观测到的数量多。宇宙中微子观测数目远少于预期令我们感到困惑。

目前并未确定中微子来源于宇宙中的何处，尽管几个研究团队提出，银河平面有可能是中微子的来源。诸如γ射线爆发源和星系中心之类的宇宙高能活动区域之前被人为可能产生高能宇宙射线和中微子，现在已经被分析基本排除。

 

γ射线爆发是短促而强大的γ射线流，可以被卫星观测。γ射线爆发被认为是来自黑洞吞噬中子星或另一个黑洞（产生不到2秒的爆发），也可能来自超新星的坍缩过程（产生长达几分钟的爆发）。粒子在这些高能过程中被加速。冰立方科学家已经分析了超过800个γ射线爆发源，没有一次γ射线爆发伴随着中微子爆发，因此γ射线爆发最多贡献了冰立方观测到的宇宙中微子的1%。

 

AGN是星系中心的巨大黑洞，它们会加速周围气体，粒子能被加速到接近光速而甩出。但是冰立方没有发现高能中微子流和星系中心发射的，指向地球的喷射粒子流之间的关系，因此星系中心最多贡献了30%的宇宙中微子。

 

其他未知中微子源包括星暴星系（starburst galaxies），该星系中有孕育恒星的尘埃密集区，该区域可能会被超新星爆发扰动；磁星，它们是被强磁场包绕的中子星，能够连续几天以高速发出中微子，应该能够被冰立方看到；超新星遗迹，它们的磁场不足以解释大多数高能中微子，但是它们仍被认为是多数银河弱宇宙射线（低于10¹⁶电子伏）的来源。

 

更多的猜想尚待验证：目前尚未观测到的超大暗物质粒子，它吸收和释放高能中微子；宇宙弦，它是时空的不连续点，来自宇宙大爆炸。

冰立方还检验了多个可能的物理理论。这些物理理论试图解释中微子从一种亚型变成另一种的规律，限定了暗物质的特性，并预言了来自大气的高能粒子流的包括哪些粒子。

下一代探测器

今后有2个发展方向：增大光学阵列来收集更多中微子，或发现其他的方法来更加精确地定位来自宇宙的中微子。这些方法适用于不同能级的中微子，因此都值得获得支持。

 

首先，更大的基于契伦科夫辐射的探测器可以被置于冰层、湖水、近海或远洋——类似冰立方和ANTARES但是配备更有效的光传感器和性价比更高的配套技术。几个研究团队已经提出了升级版设计，但缺乏资金支持。这些探测器可以在2020年左右建成并投入运行。对于冰立方，技术升级包括更有效的钻井技术和能够置于更窄冰孔中的传感器。窄冰孔的钻孔成本更低。

 

不同的地点有不同的好处。南极洲可以提供大块的洁净冰层，但是设置在北半球，比如地中海的探测器可以更直接地观测来自银河中心的中微子，无需费力将宇宙中微子和大气产生的中微子区分开来，但南半球的探测器就必须做这项工作。贝加尔湖也不错：水中钾-40同位素含量很低，发光生物很少，它们都会干扰光传感器。此外，湖面还会在冬天结冰，这让建造工作更加方便。

第2个方案需要捕捉动能高达10⁸G电子伏的中微子。能量这么高的中微子并不常见，连冰立方也没见到过。它们需要有体积不小于100千米的探测器才能有效捕捉。因为契伦科夫辐射产生的光只能在冰或水中传播几十米，因此需要几百万个探测器，价格非常昂贵。

 

更可行的方法是探测中微子与南极冰层作用产生的无线电波。中微子撞击冰原子核时，它们产生一批以50M赫兹到1G赫兹频率辐射电磁波的次生带电粒子。电磁波能穿透几千米的冰层。因此电磁波传感阵列可以需要更少的传感器，大约1立方公里只需要1个。动能达到10⁸G电子伏的中微子产生的电磁波应该足以被冰层中的天线捕捉到。2个国际合作团队已经建立了该方案的模型，并寻求资金支持。ARIANNA是其中一个方案，开尔文是该项目成员。

待批项目

随着多个经济上可行的下一代探测器设计已经成熟，下一步需要启动建造并投资。美国国家自然科学基金和其他资助单位有限的预算值是推进的主要障碍。中微子天文学的支持者是粒子物理学、核物理学和天体物理学方面的科学家们。他们正在游说投资来实现这些项目。

 

首先，1-2个冰立方和ANTARES的后继探测器应该被立项建造。升级版冰立方(IceCub-Gen2)和欧洲的立方公里中微子探测器（KM3NeT）都是不错的候选对象。如果必要的话，冰立方、立方公里中微子探测器和俄罗斯10亿吨探测器的研究团队需要合作，在最有效的地点建立一个单独的大探测器。资金支持可以从粒子和核物理学界的支持方获得。

 

其次，至少1个100千米的无线电波探测阵列需要建立。这个项目只能在南极建立，因此只能依靠美国国家科学基金会的资助，它是南极科学研究的最大资助人，并且是唯一可能推动如此大项目的总体方。许多非美国的研究团队也对无线电阵列感兴趣，因此可以寻求国际合作。一旦该项目被批准，可以考虑到2030年将其扩展到1000千米，以检测超高能宇宙现象。

 

下一代中微子探测器有望通过发现超高能中微子、宇宙射线源和验证物理模型，带来新的重大发现。

  

撰文：斯潘塞·开尔文（Spencer Klein）  翻译：离子心

参考材料：

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

2. Aartsen, M. G. et al. Phys. Rev. Lett. 111, 021103(2013).

3. IceCube Collaboration. Preprint at https://arxiv.org/abs/1510.05223 (2015).

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

5. IceCube Collaboration. Preprint at https://arxiv.org/abs/1510.05222 (2015).

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).

9. Chakraborty, S. & Izaguirre, I. Phys. Lett. B 745,35–39 (2015).

10. Avrorin, A. D. et al. Preprint at http://arxiv.org/abs/1511.02324 (2015).