物理：投資中微子天文學

思羽/編譯

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物理：投資中微子天文學

思羽/編譯

一臺光傳感器從鉆孔進入地下，開始總計2500米的旅程，成為南極洲“冰立方”中微子探測器的一部分

●勞倫斯伯克利國家實驗室核能科學部的資深科學家、加州大學伯克利分校物理學家斯潘塞·克萊因（Spencer Klein）呼吁：建設更大型的望遠鏡陣列，捕捉來自宇宙能量最大地方的粒子。

中微子天文學即將獲得突破。從2010年起，在南極洲進行的“冰立方”實驗——在1立方千米的冰層中布置了5 160個籃球大小的光傳感器——已經探測到來自太空深處的二十多個高能中微子。盡管有了一些令人興奮的發現，可以從中提出許多問題，但這種地外粒子的數量仍然太少（二十多個），我們難以知道它們來自哪兒，也無法測試它們的基礎物理性質。為了獲知中微子的更多情況，必須有新一代的中微子探測臺。

中微子是弱相互作用的亞原子粒子，它們能夠遠距離穿越太空，甚至能穿透地球。“冰立方”探測到的高能中微子的能量大約在100 GeV（1吉電子伏特等于109電子伏特，約等于質子的靜質量）以上。當宇宙射線——來自太空的高能質子或重核——與物質或光發生相互作用時，就會產生中微子。這個過程可能發生在宇宙射線產生的地方，也可能發生在宇宙射線稍后進入地球大氣層時，宇宙射線與氣體分子碰撞，釋放出大量基本粒子。大氣層中產生的中微子數量比宇宙的中微子多出了幾百倍。

許多物理學謎題有待中微子天文學予以解決，其中之一就是極高能宇宙射線的來源。1962年，位于新墨西哥州的 “火山牧場陣列”（Volcano Ranch array）探測到大量粒子簇射，而這些粒子來自沖進高空大氣層的一道宇宙射線，宇宙射線帶著1011GeV（相當于一次網球發球的能量被塞入一個原子核中）以上的動能。自從那時起，人類已經探測到幾十次類似的事件。但是在50年之后，物理學家仍然不知道大自然是如何讓基本粒子加速到如此高的能量。這些能量遠遠超出了地球上的粒子加速器（譬如瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機（LHC））的范圍；模仿它們需要有一個與地球環繞太陽公轉的軌道一樣大的環。

對于中微子本身，也有很多我們需要查明的情況：它們的精確質量、它們如何從一種形態（味）變換成另一種形態、預測的其他中微子形態（譬如惰性中微子）是否存在。中微子也能夠幫助尋找暗物質，暗物質是一種看不見的物質，參與了控制恒星、氣體和星系的運動。衰變或湮滅中的暗物質能夠產生高能中微子，中微子望遠鏡能觀測到這些中微子。

中微子的弱相互作用的不利一面在于：需要一臺極為龐大的探測器以捕捉足夠多的粒子，這樣就可以區分來自太空的中微子（少量）和來自地球大氣層的中微子（大量）。“冰立方”是目前運行中的最大型的中微子探測器陣列，但它仍然太小，數據收集太過緩慢，難以在下個十年里取得重要突破。

要探索宇宙中這個最大能量的過程，規模更大的中微子觀測臺是必不可少的，未來的中微子觀測臺的體積會比 “冰立方”的體積大出十倍到一百倍。確定不同類型的中微子的質量，研究中微子如何與地球內的物質相互作用，這樣就能區分或排除某些額外空間維度的模型，闡明高能核物理的關鍵議題，譬如重核內膠子（在夸克之間傳遞強作用力）的密度。

中微子望遠鏡的設計方案已有初步設想，能在五到十年內建立并運行起來——前提是天體物理、粒子物理和核物理的同仁能夠團結一致、共同資助。由若干中微子觀測站構成的互補平臺將測試物理性質，其能量超出LHC，花費只是LHC經費的部分：幾千萬到幾億美元而已，而不會像LHC那樣耗費幾百億美元。

問題多過答案

2010年，位于南極洲的“冰立方”進入完全運行狀態（我從2004年起就參與了該項目），檢測到藍色光線，也就是切連科夫輻射，由高能中微子與水或冰中的原子核發生相互作用后形成的帶電粒子發出的輻射。計算機通過梳理數據尋找相互作用——從一個點發出的粒子的長軌跡或放射性級聯。“冰立方”每年會探測到五萬多個可能是中微子的對象。其中，只有不到1%來自太空。

有好幾種方法能夠區分來自太空的中微子和來自地球大氣層的中微子。最高能量的中微子事件更有可能是來自外太空的中微子。來自地球大氣層的中微子會伴隨有粒子簇射，這個現象可以用冰層表面上的探測器看到。在這些簇射中產生的短壽命亞原子粒子——U介子——比中微子的數量多了50萬倍，也能夠穿透冰層；因此伴隨著從天空向下行進的U介子的信號大概來源于大氣層。向上行進（穿過地球）或源自于陣列體量內的某個點的光跡的極高能事件可能來自于外太空。

自從2010年起，“冰立方”已經觀察到大約60個可能來自于外太空的中微子目標。而其他實驗裝備因為規模太小而無法探測到這類中微子。這些裝備包括：“心宿二”（ANTARES）、一組錨定在法國馬賽外的地中海海床上的探測器陣列，另一套相似的陣列安裝在俄羅斯的貝加爾湖中。它們對地外中微子的探測率和預期中一樣高，假如世上存在更多的中微子，它們會耗盡宇宙射線的大部分能量。地外中微子的來源應該很容易找到。但事實是我們尚未找到，這就是一個越來越大的謎團。

至今為止，中微子看起來都不像是來自于天空中的特定地址，盡管有好幾個研究團體暗示說，中微子與銀河平面有著微弱的聯系。分析也不贊成一度認為有可能是加速的高能量的宇宙射線和中微子的多個地點，其中包括伽瑪射線暴（GRBs）和活動星系核（AGNs）。

伽瑪射線暴是指強勁的伽瑪射線在短時間內突然增強，并被衛星接收到。學界認為它們是從黑洞與中子星或其他黑洞合并過程中發出的（產生迅速增強的伽瑪射線，持續時間不到2秒）；或者來自于超大質量恒星較慢的坍縮（持續幾秒或幾分鐘）。粒子因為爆炸而加速。在“冰立方”科學家考察的八百多次伽瑪射線暴中，沒有一次伴隨有中微子爆發，暗示在“冰立方”觀測到的地外中微子中，由伽瑪射線暴生成的最多占1%。

活動星系核是指中心擁有超大質量黑洞和不斷吸積氣體的星系。粒子可能在黑洞噴出的物質噴流中加速到相對論速度。但“冰立方”沒有發現高能中微子與向地球噴流的活動星系之間的聯系，暗示活動星系最多能解釋30%的中微子來源。

其他不太可能是中微子來源的包括星暴星系、磁星和超新星遺跡。星暴星系包含了恒星形成速率極高的塵埃狀區域；磁星是被強磁場圍繞的中子星，會在幾天時間內產生強有力的中微子爆發（這些本應該已經被“冰立方”觀測到）；超新星遺跡的磁場太弱，從而無法解釋高能量的中微子，但超新星遺跡被認為是銀河系里看到的大多數低能量（最高約為1016電子伏特）宇宙射線產生的原因。

更加異乎尋常的可能性仍然尚未經過檢驗：迄今未觀測到超重暗物質粒子湮滅后產生高能中微子，也未觀測到宇宙“弦”（大爆炸留下的時空體中的不連續處）的衰變。

“冰立方”也測試過另外的物理學理論。但冰立方僅限于中微子從一種味到另一種味的變換方式，為暗物質的性質和高能空氣簇射的成分設定限度。

下一代

繼續推進研究有兩種方式：擴充目前的光學陣列，以便收集到更多中微子；或者尋找其他策略，分離來自宇宙的高能量中微子。這兩種方法覆蓋不同的能量范圍，因而有著物理學上的互補性。兩種方式都值得支持。

首先，大型光學切連科夫望遠鏡可以部署在冰、湖泊或海洋里面，類似于“冰立方”或“心宿二”，但是擁有更高效的光學傳感器和更便宜的技術。多個研究團體已經為這些概念研發出先進設計方案，但缺乏資金。到21世紀20年代早期，這些探測器就能建造和運行。對于“冰立方”而言，技術改進措施包括高效的鉆井技術和傳感器，這樣的傳感器適合鉆井成本更低的更狹窄鉆孔。

不同的地點有不同的優勢。南極洲能提供大片清潔、致密的冰塊和基礎設施。但部署在北半球的陣列（比方說在地中海中）能更直接觀察來自銀河系中央、穿過地球的地外中微子，不用考慮來自大氣層、向下行進的中微子。而南半球的地點就必須考慮。貝加爾湖是有吸引力的地點，其原因如下：淡水里沒有鉀-40，生物發光性也更低（二者會增強背景光，能擾亂粒子軌跡的重建）；在冬季時水面會結冰，使得建造容易。

第二種方法要求捕捉能量超過108GeV的中微子。這樣的高能中微子很罕見，“冰立方”從沒有觀測到。為了捕捉到足夠多的相關事件，需要有一組體積至少為100立方千米的陣列。因為切連科夫輻射的光在冰或水中只能行進幾十米，所以覆蓋這么大的體積的話，會需要數百萬個感應器，耗資巨大。

更加切合實際的做法是：尋找中微子與南極洲冰原發生相互作用時的電波發射。當中微子撞擊上冰塊中的原子核時，會產生帶電粒子簇射，發出5 000萬赫茲到10億赫茲的頻率范圍的無線電波和可見光。無線電波能在冰塊中傳播幾千米，因此容積超過100立方千米的無線電感應陣列的儀器可以數量很少，差不多是每立方千米一個感應器就夠了。能量超過108GeV的中微子發出的無線電脈沖應該足夠強勁，冰層的天線可以接收到。兩支國際研究團隊正在建造原型機，他們已經尋找資金進行擴展。（我本人參與了這個ARIANNA項目。）

開啟綠燈

一系列負擔不重的下一代設計方案已經準備就緒，需要對設計方案的優先性作出決定和予以撥款。最主要的障礙在于有限的國家科研預算和僵化的撥款機構。中微子天文學是粒子物理、核物理和天體物理的共同領域，需要集中資源，才能實現這些技術的愿景。

首先，應該資助和建造“冰立方”和“心宿二”的一個或兩個后繼者。升級版的“冰立方”實驗（冰立方二代）和計劃中的歐洲項目“立方千米中微子望遠鏡”（KM3NeT）都是有力的候選對象。假如有必要的話，研究團隊應該協調“冰立方”、KM3NeT和計劃中的俄羅斯陣列“10億噸容量探測器”（Gigaton Volume Detector），探索如何將這些合作項目予以合并，專注于一套大型探測器，建設在最具成本效益的地點。應該尋求從更廣泛的機構獲取資金支持，其中包括專注于粒子物理和核物理的機構。

其次，至少有一項100立方千米的探測器陣列需要著手啟動。因為這樣的項目只能在南極洲完成，因此美國國家科學基金會有著無可推卸的責任，畢竟美國國家科學基金會是南極洲研究的最大贊助者，從現實層面來說，它也是唯一有著充足后勤支援，能夠完成這樣科研項目的團體。許多非美國的研究團隊對此感興趣，應該要建立起彼此間的合作，在國際間均攤費用。一旦證實有效，這樣的陣列能夠在2030年左右擴充至1 000立方千米，監控極高能量的宇宙。

通過發現極高能中微子和宇宙射線的地外來源，或者排除其余的模型，下一代的中微子觀測臺一定會取得新的發現。

［資料來源：Nature］［責任編輯：岳 峰］