物理：投资中微子天文学

思羽/编译



物理：投资中微子天文学

思羽/编译

一台光传感器从钻孔进入地下，开始总计2500米的旅程，成为南极洲“冰立方”中微子探测器的一部分

●劳伦斯伯克利国家实验室核能科学部的资深科学家、加州大学伯克利分校物理学家斯潘塞·克莱因（Spencer Klein）呼吁：建设更大型的望远镜阵列，捕捉来自宇宙能量最大地方的粒子。

中微子天文学即将获得突破。从2010年起，在南极洲进行的“冰立方”实验——在1立方千米的冰层中布置了5 160个篮球大小的光传感器——已经探测到来自太空深处的二十多个高能中微子。尽管有了一些令人兴奋的发现，可以从中提出许多问题，但这种地外粒子的数量仍然太少（二十多个），我们难以知道它们来自哪儿，也无法测试它们的基础物理性质。为了获知中微子的更多情况，必须有新一代的中微子探测台。

中微子是弱相互作用的亚原子粒子，它们能够远距离穿越太空，甚至能穿透地球。“冰立方”探测到的高能中微子的能量大约在100 GeV（1吉电子伏特等于109电子伏特，约等于质子的静质量）以上。当宇宙射线——来自太空的高能质子或重核——与物质或光发生相互作用时，就会产生中微子。这个过程可能发生在宇宙射线产生的地方，也可能发生在宇宙射线稍后进入地球大气层时，宇宙射线与气体分子碰撞，释放出大量基本粒子。大气层中产生的中微子数量比宇宙的中微子多出了几百倍。

许多物理学谜题有待中微子天文学予以解决，其中之一就是极高能宇宙射线的来源。1962年，位于新墨西哥州的 “火山牧场阵列”（Volcano Ranch array）探测到大量粒子簇射，而这些粒子来自冲进高空大气层的一道宇宙射线，宇宙射线带着1011GeV（相当于一次网球发球的能量被塞入一个原子核中）以上的动能。自从那时起，人类已经探测到几十次类似的事件。但是在50年之后，物理学家仍然不知道大自然是如何让基本粒子加速到如此高的能量。这些能量远远超出了地球上的粒子加速器（譬如瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC））的范围；模仿它们需要有一个与地球环绕太阳公转的轨道一样大的环。

对于中微子本身，也有很多我们需要查明的情况：它们的精确质量、它们如何从一种形态（味）变换成另一种形态、预测的其他中微子形态（譬如惰性中微子）是否存在。中微子也能够帮助寻找暗物质，暗物质是一种看不见的物质，参与了控制恒星、气体和星系的运动。衰变或湮灭中的暗物质能够产生高能中微子，中微子望远镜能观测到这些中微子。

中微子的弱相互作用的不利一面在于：需要一台极为庞大的探测器以捕捉足够多的粒子，这样就可以区分来自太空的中微子（少量）和来自地球大气层的中微子（大量）。“冰立方”是目前运行中的最大型的中微子探测器阵列，但它仍然太小，数据收集太过缓慢，难以在下个十年里取得重要突破。

要探索宇宙中这个最大能量的过程，规模更大的中微子观测台是必不可少的，未来的中微子观测台的体积会比 “冰立方”的体积大出十倍到一百倍。确定不同类型的中微子的质量，研究中微子如何与地球内的物质相互作用，这样就能区分或排除某些额外空间维度的模型，阐明高能核物理的关键议题，譬如重核内胶子（在夸克之间传递强作用力）的密度。

中微子望远镜的设计方案已有初步设想，能在五到十年内建立并运行起来——前提是天体物理、粒子物理和核物理的同仁能够团结一致、共同资助。由若干中微子观测站构成的互补平台将测试物理性质，其能量超出LHC，花费只是LHC经费的部分：几千万到几亿美元而已，而不会像LHC那样耗费几百亿美元。

问题多过答案

2010年，位于南极洲的“冰立方”进入完全运行状态（我从2004年起就参与了该项目），检测到蓝色光线，也就是切连科夫辐射，由高能中微子与水或冰中的原子核发生相互作用后形成的带电粒子发出的辐射。计算机通过梳理数据寻找相互作用——从一个点发出的粒子的长轨迹或放射性级联。“冰立方”每年会探测到五万多个可能是中微子的对象。其中，只有不到1%来自太空。

有好几种方法能够区分来自太空的中微子和来自地球大气层的中微子。最高能量的中微子事件更有可能是来自外太空的中微子。来自地球大气层的中微子会伴随有粒子簇射，这个现象可以用冰层表面上的探测器看到。在这些簇射中产生的短寿命亚原子粒子——U介子——比中微子的数量多了50万倍，也能够穿透冰层；因此伴随着从天空向下行进的U介子的信号大概来源于大气层。向上行进（穿过地球）或源自于阵列体量内的某个点的光迹的极高能事件可能来自于外太空。

自从2010年起，“冰立方”已经观察到大约60个可能来自于外太空的中微子目标。而其他实验装备因为规模太小而无法探测到这类中微子。这些装备包括：“心宿二”（ANTARES）、一组锚定在法国马赛外的地中海海床上的探测器阵列，另一套相似的阵列安装在俄罗斯的贝加尔湖中。它们对地外中微子的探测率和预期中一样高，假如世上存在更多的中微子，它们会耗尽宇宙射线的大部分能量。地外中微子的来源应该很容易找到。但事实是我们尚未找到，这就是一个越来越大的谜团。

至今为止，中微子看起来都不像是来自于天空中的特定地址，尽管有好几个研究团体暗示说，中微子与银河平面有着微弱的联系。分析也不赞成一度认为有可能是加速的高能量的宇宙射线和中微子的多个地点，其中包括伽玛射线暴（GRBs）和活动星系核（AGNs）。

伽玛射线暴是指强劲的伽玛射线在短时间内突然增强，并被卫星接收到。学界认为它们是从黑洞与中子星或其他黑洞合并过程中发出的（产生迅速增强的伽玛射线，持续时间不到2秒）；或者来自于超大质量恒星较慢的坍缩（持续几秒或几分钟）。粒子因为爆炸而加速。在“冰立方”科学家考察的八百多次伽玛射线暴中，没有一次伴随有中微子爆发，暗示在“冰立方”观测到的地外中微子中，由伽玛射线暴生成的最多占1%。

活动星系核是指中心拥有超大质量黑洞和不断吸积气体的星系。粒子可能在黑洞喷出的物质喷流中加速到相对论速度。但“冰立方”没有发现高能中微子与向地球喷流的活动星系之间的联系，暗示活动星系最多能解释30%的中微子来源。

其他不太可能是中微子来源的包括星暴星系、磁星和超新星遗迹。星暴星系包含了恒星形成速率极高的尘埃状区域；磁星是被强磁场围绕的中子星，会在几天时间内产生强有力的中微子爆发（这些本应该已经被“冰立方”观测到）；超新星遗迹的磁场太弱，从而无法解释高能量的中微子，但超新星遗迹被认为是银河系里看到的大多数低能量（最高约为1016电子伏特）宇宙射线产生的原因。

更加异乎寻常的可能性仍然尚未经过检验：迄今未观测到超重暗物质粒子湮灭后产生高能中微子，也未观测到宇宙“弦”（大爆炸留下的时空体中的不连续处）的衰变。

“冰立方”也测试过另外的物理学理论。但冰立方仅限于中微子从一种味到另一种味的变换方式，为暗物质的性质和高能空气簇射的成分设定限度。

下一代

继续推进研究有两种方式：扩充目前的光学阵列，以便收集到更多中微子；或者寻找其他策略，分离来自宇宙的高能量中微子。这两种方法覆盖不同的能量范围，因而有着物理学上的互补性。两种方式都值得支持。

首先，大型光学切连科夫望远镜可以部署在冰、湖泊或海洋里面，类似于“冰立方”或“心宿二”，但是拥有更高效的光学传感器和更便宜的技术。多个研究团体已经为这些概念研发出先进设计方案，但缺乏资金。到21世纪20年代早期，这些探测器就能建造和运行。对于“冰立方”而言，技术改进措施包括高效的钻井技术和传感器，这样的传感器适合钻井成本更低的更狭窄钻孔。

不同的地点有不同的优势。南极洲能提供大片清洁、致密的冰块和基础设施。但部署在北半球的阵列（比方说在地中海中）能更直接观察来自银河系中央、穿过地球的地外中微子，不用考虑来自大气层、向下行进的中微子。而南半球的地点就必须考虑。贝加尔湖是有吸引力的地点，其原因如下：淡水里没有钾-40，生物发光性也更低（二者会增强背景光，能扰乱粒子轨迹的重建）；在冬季时水面会结冰，使得建造容易。

第二种方法要求捕捉能量超过108GeV的中微子。这样的高能中微子很罕见，“冰立方”从没有观测到。为了捕捉到足够多的相关事件，需要有一组体积至少为100立方千米的阵列。因为切连科夫辐射的光在冰或水中只能行进几十米，所以覆盖这么大的体积的话，会需要数百万个感应器，耗资巨大。

更加切合实际的做法是：寻找中微子与南极洲冰原发生相互作用时的电波发射。当中微子撞击上冰块中的原子核时，会产生带电粒子簇射，发出5 000万赫兹到10亿赫兹的频率范围的无线电波和可见光。无线电波能在冰块中传播几千米，因此容积超过100立方千米的无线电感应阵列的仪器可以数量很少，差不多是每立方千米一个感应器就够了。能量超过108GeV的中微子发出的无线电脉冲应该足够强劲，冰层的天线可以接收到。两支国际研究团队正在建造原型机，他们已经寻找资金进行扩展。（我本人参与了这个ARIANNA项目。）

开启绿灯

一系列负担不重的下一代设计方案已经准备就绪，需要对设计方案的优先性作出决定和予以拨款。最主要的障碍在于有限的国家科研预算和僵化的拨款机构。中微子天文学是粒子物理、核物理和天体物理的共同领域，需要集中资源，才能实现这些技术的愿景。

首先，应该资助和建造“冰立方”和“心宿二”的一个或两个后继者。升级版的“冰立方”实验（冰立方二代）和计划中的欧洲项目“立方千米中微子望远镜”（KM3NeT）都是有力的候选对象。假如有必要的话，研究团队应该协调“冰立方”、KM3NeT和计划中的俄罗斯阵列“10亿吨容量探测器”（Gigaton Volume Detector），探索如何将这些合作项目予以合并，专注于一套大型探测器，建设在最具成本效益的地点。应该寻求从更广泛的机构获取资金支持，其中包括专注于粒子物理和核物理的机构。

其次，至少有一项100立方千米的探测器阵列需要着手启动。因为这样的项目只能在南极洲完成，因此美国国家科学基金会有着无可推卸的责任，毕竟美国国家科学基金会是南极洲研究的最大赞助者，从现实层面来说，它也是唯一有着充足后勤支援，能够完成这样科研项目的团体。许多非美国的研究团队对此感兴趣，应该要建立起彼此间的合作，在国际间均摊费用。一旦证实有效，这样的阵列能够在2030年左右扩充至1 000立方千米，监控极高能量的宇宙。

通过发现极高能中微子和宇宙射线的地外来源，或者排除其余的模型，下一代的中微子观测台一定会取得新的发现。

［资料来源：Nature］［责任编辑：岳 峰］