高能中微子天文

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1、中微子研究與進(jìn)展高能中微子天文黎?卓（北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系100871）2013年，南極的IceCube中微子天文臺(tái)報(bào)告首空間無(wú)處不在的磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球的宇宙線已經(jīng)12次探測(cè)到了來(lái)自地外的TeV-PeV（注：TeV=10eV，不能指向原初的方向；高能光子在傳播中則容易跟宇15PeV=10eV）高能中微子，為人類探索宇宙打開(kāi)了一宙背景軟光子——例如宇宙微波背景、紅外-光學(xué)背扇全新的窗口，標(biāo)志著高能中微子天文時(shí)代的開(kāi)啟。景等——相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)電子對(duì)而沒(méi)法到達(dá)地此前人類已經(jīng)探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)和超新星1987A的地球；引力波至今人

2、類還沒(méi)有探測(cè)到，而且理論上宇外中微子，但是這些都是核反應(yīng)層次的MeV量級(jí)的宙線起源天體不傾向于也是強(qiáng)引力波源。中微子電中中微子，而IceCube的中微子是粒子反應(yīng)層次的，至性，傳播不受磁場(chǎng)影響，到達(dá)方向指向起源天體；跟少是TeV量級(jí)以上，所以需要強(qiáng)調(diào)是高能中微子加物質(zhì)作用弱，則可以傳播很遠(yuǎn)或從很致密的起源天以區(qū)別。體中逃逸出來(lái)，所以中微子幾乎成為尋找宇宙線起源一、為什么要探測(cè)高能中微子的唯一信使。這個(gè)問(wèn)題還要從宇宙線說(shuō)起。宇宙線是來(lái)自地外高能中微子可以很自然地由宇宙線產(chǎn)生出來(lái)。高的高能帶電粒子，由赫斯（V.Hess）在1912年首

3、次發(fā)能宇宙線可以在起源天體中，或在逃逸后的傳播過(guò)程現(xiàn)，至今的觀測(cè)表明宇宙線的能譜跨越很大的能量范中跟背景的物質(zhì)或光子相互作用，產(chǎn)生帶電π介子，18圍，從GeV一直到100EeV（EeV=10eV）以上都有分而帶電π介子的衰變會(huì)產(chǎn)生中微子。布（如圖1所示）。但是宇宙線起源至今還是不清楚，二、高能中微子天文的歷史成為了一個(gè)百年難題。中微子跟物質(zhì)相互作用很弱，探測(cè)起來(lái)也就特別尋找宇宙線起源需要媒介，而天體物理中傳統(tǒng)的困難，需要大量的介質(zhì)來(lái)進(jìn)行捕捉。利用大體積的水信使包括四種，光子、宇宙線、中微子以及引力波。來(lái)探測(cè)中微子的想法可以回溯到1

4、960年，當(dāng)時(shí)就有這其中，宇宙線本身帶電，在宇宙中傳播會(huì)受到宇宙人提出通過(guò)觀測(cè)透明介質(zhì)中中微子產(chǎn)生的高能次級(jí)帶電粒子的切倫科夫光來(lái)探測(cè)中微子。利用較小型水切倫科夫探測(cè)陣列，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超新星1987A中微子和中微子振蕩。然而高能中微子的流量極低，需要更大的探測(cè)器陣列。在20世紀(jì)70年代，人們就已經(jīng)預(yù)期需要立方千米量級(jí)的探測(cè)器來(lái)探測(cè)由極高能宇宙線與宇宙微波背景作用產(chǎn)生的極高能中微子。后來(lái)對(duì)于各種天體的中微子流量的理論估計(jì)，如伽瑪射線暴、活動(dòng)星系核和超新星遺跡等，也表明需要立方千米量級(jí)的探測(cè)器。最早的設(shè)想是利用海水作為切倫科夫探測(cè)器

5、來(lái)探測(cè)高能中微子。20世紀(jì)70年代開(kāi)始的深海μ子和中微子探測(cè)器計(jì)劃（DUMAND）曾經(jīng)希望在夏威夷附圖1宇宙線能譜近海域布置一個(gè)0.1千米量級(jí)的光電倍增管陣列，盡現(xiàn)代物理知識(shí)38中微子研究與進(jìn)展管歷經(jīng)20年此計(jì)劃最終宣告失敗，仍然為以后中微建中微子的入射方向及能量。子探測(cè)器的研發(fā)積累了很多關(guān)鍵技術(shù)。后來(lái)以水為媒與三代輕子（e，μ，τ）對(duì)應(yīng)，中微子有三個(gè)弱介的探測(cè)器有位于貝加爾湖的小型中微子探測(cè)器，以相互作用本征態(tài)（味本征態(tài)），即電子中微子（νe），及位于地中海的深海中微子探測(cè)器NESTOR、NEMOμ中微子（νμ）和τ中微子（ντ

6、）。中微子穿過(guò)地球時(shí)，和ANTARES。這三個(gè)地中海實(shí)驗(yàn)?zāi)壳罢谟?jì)劃合并有極低的概率與地球中的物質(zhì)反應(yīng)。高能中微子與物成千米級(jí)的中微子探測(cè)陣列KM3NeT。質(zhì)的反應(yīng)，主要為與核子的深度非彈性散射，包括帶第一個(gè)與DUMAND同等量級(jí)的中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)電流相互作用及中性流相互作用。中性流相互作用中，是在南極的冰層里實(shí)現(xiàn)的，就是南極μ子和中微子探通過(guò)交換Z0，中微子將動(dòng)量傳遞給強(qiáng)子；帶電流相互測(cè)器陣列（AMANDA）。經(jīng)過(guò)2000年至2009年的運(yùn)行，作用中，通過(guò)交換W±，中微子轉(zhuǎn)化為同味的帶電輕子AMANDA成功地把之前的TeV-PeV

7、中微子觀測(cè)流量（e，μ，τ）。對(duì)反電子中微子，在中微子能量為6.3上限壓低了兩個(gè)量級(jí)，證實(shí)了千米尺度探測(cè)陣列的可PeV處，還會(huì)有與電子的Glashow散射增加了作用概率。行性。在2010年實(shí)驗(yàn)升級(jí)為千米級(jí)的中微子探測(cè)實(shí)不同的荷電粒子產(chǎn)生的切倫科夫光的光形態(tài)有驗(yàn)IceCube，達(dá)到了預(yù)期的靈敏度，并最終開(kāi)啟了高所不同，可以借此來(lái)區(qū)分不同味的原始中微子。能中微子天文的時(shí)代。IceCube探測(cè)到的事例依據(jù)切倫科夫光形態(tài)不同分為三、IceCube天文臺(tái)和探測(cè)方法級(jí)聯(lián)型、徑跡型及混合型。級(jí)聯(lián)型事例由中微子與介IceCube中微子天文臺(tái)利用南

8、極的冰層作為探測(cè)質(zhì)中核子的帶電流相互作用產(chǎn)生的高能電子或τ子引切倫科夫光的媒介以探測(cè)來(lái)自地外的高能中微子。它發(fā)，或者由中微子與核子的中性流相互作用產(chǎn)生的高建造于地理南極點(diǎn)，于2010年9月正式竣工。主要能核子引發(fā)。由于其電磁級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的簇射只延展十幾