一臺(tái)光傳感器啟程進(jìn)入 2500 米深的鉆孔，成為南極洲冰立方（IceCube）中微子探測(cè)器的一部分。(圖片來(lái)源：Blanie Gudbjartsson, IceCbe/NSF）

中微子天文學(xué)蓄勢(shì)待發(fā)。自 2010 年起，南極洲冰立方實(shí)驗(yàn)探測(cè)到幾十個(gè)來(lái)自太空深處的高能中微子。（冰立方由 5160 個(gè)籃球大小的光傳感器組成，它們散布在 1 km3的冰塊中。）雖然這些發(fā)現(xiàn)帶來(lái)很多新問(wèn)題，著實(shí)令人興奮，但來(lái)自地球外的粒子數(shù)量微不足道，難以分辨來(lái)源，也沒(méi)法用于檢驗(yàn)基礎(chǔ)物理學(xué)。我們需要新一代中微子天文臺(tái)來(lái)了解更多信息。

中微子是亞原子粒子，相互作用微弱，因此可以穿越遙遠(yuǎn)的太空，甚至穿透地球。冰立方探測(cè)能量高于 100GeV 的中微子（1GeV 等于 109eV，而 1eV 大約是一個(gè)質(zhì)子的靜止質(zhì)量）。宇宙射線是來(lái)自太空的高能質(zhì)子或更重一些的原子核，它們?cè)谂c物質(zhì)或光進(jìn)行相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這些高能中微子。這些相互作用可能發(fā)生在宇宙射線產(chǎn)生的地方，也可能在宇宙射線進(jìn)入地球大氣層與氣體分子碰撞時(shí)發(fā)生，并釋放出一連串基本粒子。大氣中產(chǎn)生的中微子的數(shù)量比宇宙中微子多數(shù)百倍。

很多物理學(xué)難題有待通過(guò)中微子天文學(xué)解決【1】，其中之一便是超高能宇宙射線的來(lái)源。1962年，位于新墨西哥州的火山牧場(chǎng)（Volcano Ranch）陣列探測(cè)到大量簇射粒子，由一個(gè)動(dòng)能超過(guò) 1011GeV 的宇宙射線粒子撞入外層大氣產(chǎn)生，相當(dāng)于將一次網(wǎng)球發(fā)球的能量封裝在原子核里。此后天文學(xué)家又探測(cè)到幾十個(gè)類似的事件。然而 50 年過(guò)去了，物理學(xué)家仍然不知道大自然如何將基本粒子加速到這么高的能量，這遠(yuǎn)超出了像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）那樣的地面加速器的能量范圍，模擬類似的加速過(guò)程需要地球公轉(zhuǎn)軌道那么大的環(huán)。

對(duì)于中微子本身，我們也需要了解更多——它們的精確質(zhì)量，中微子如何從一種類型（“味”）轉(zhuǎn)換成另一種，以及預(yù)言中的[只有“其他”]其他中微子（比如惰性中微子）是否存在。中微子也有助于尋找暗物質(zhì)。暗物質(zhì)不可見(jiàn)，卻是支配恒星、星際氣體和星系運(yùn)動(dòng)的一部分。暗物質(zhì)的衰變或湮滅可能會(huì)產(chǎn)生能被望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的高能中微子。

中微子相互作用微弱的不利因素在于科學(xué)家需要巨大的探測(cè)器捕獲足夠多的粒子，才能從地球大氣層產(chǎn)生的大量中微子中區(qū)分出極少數(shù)太空中生成的中微子。冰立方是運(yùn)行中的最大中微子探測(cè)陣列，但是它仍然太小且收集數(shù)據(jù)太慢，難以在未來(lái)十年內(nèi)產(chǎn)生重大突破。

體積比冰立方大 10 到 100 倍的中微子天文臺(tái)對(duì)于探測(cè)宇宙中最高能的過(guò)程至關(guān)重要。確定不同種類中微子的質(zhì)量并研究它們與地球上物質(zhì)的相互作用能夠分辨或排除一部分空間額外維模型，并且解決高能核物理中的關(guān)鍵疑難，比如重核中膠子的密度（膠子是傳遞夸克之間作用力的粒子）。

中微子望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)正在規(guī)劃階段，預(yù)計(jì)能在五到十年內(nèi)啟動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)——如果天體物理、粒子物理和核物理學(xué)界能夠走到一起協(xié)調(diào)資金的話。作為補(bǔ)充，幾個(gè)中微子天文臺(tái)將在高于 LHC 的能量上檢驗(yàn)物理學(xué)，而僅花費(fèi)資金的一小部分——幾千萬(wàn)到幾億美元，而不是幾百億。

問(wèn)題多于答案

2010 年起，在南極洲全面運(yùn)轉(zhuǎn)的冰立方會(huì)探測(cè)藍(lán)光：由高能中微子與水或冰中的原子核相互作用產(chǎn)生的帶電粒子發(fā)出的切倫科夫輻射（Cherenkov radiation）。電腦在數(shù)據(jù)中搜尋相互作用的跡象——長(zhǎng)軌跡或是從一點(diǎn)發(fā)出的徑向粒子級(jí)聯(lián)（如下圖所示）。冰立方每年能觀察到 5 萬(wàn)多個(gè)候選中微子，其中只有不到 1% 來(lái)自太空。

來(lái)源：冰立方項(xiàng)目

有幾種方法可以區(qū)分宇宙中微子和大氣中微子。能量最高的事例更可能是宇宙中微子。大氣中微子會(huì)伴隨粒子簇射，可以被冰面的探測(cè)器看到。這些簇射會(huì)產(chǎn)生 μ 子（一種壽命很短的亞原子粒子），它們比中微子多 50 萬(wàn)倍，也能穿透冰層。因此伴隨有從空中飛下的 μ 子的信號(hào)可能來(lái)自大氣中微子。而光線軌跡往上穿過(guò)地球或是（軌跡）源于陣列中某點(diǎn)的極高能事例就有可能來(lái)自宇宙。

2010 年以來(lái)，冰立方觀察到約 60 個(gè)宇宙中微子候選者【2,3】。而其它實(shí)驗(yàn)太小沒(méi)有探測(cè)到這些中微子，它們包括：ANTARES，一根根探測(cè)器組成的陣列固定在法國(guó)馬賽附近的地中海底；另一個(gè)類似的陣列位于俄羅斯貝加爾湖。這些實(shí)驗(yàn)的宇宙中微子探測(cè)率和預(yù)期一樣——如果有更多中微子，它們會(huì)消耗宇宙射線的大部分能量【4】，那么尋找宇宙中微子源理應(yīng)很容易。但事實(shí)并非如此，這成了一個(gè)日益嚴(yán)重的難題。

迄今為止，中微子看似并非源自天空中某個(gè)特定位置【5】，雖然幾個(gè)研究組暗示與銀河系平面有微弱聯(lián)系。分析結(jié)果也不支持很多一度認(rèn)為可能的高能宇宙線和中微子的加速場(chǎng)所，包括γ射線暴（GRB）和活動(dòng)星系核（AGN）。

γ 射線暴是高能 γ 射線的短暫爆發(fā)，能被衛(wèi)星捕獲。通常認(rèn)為，持續(xù)時(shí)間少于 2 秒的短暴是黑洞與中子星或另一個(gè)黑洞融合時(shí)發(fā)出的，而持續(xù)數(shù)秒到幾分種的長(zhǎng)暴則來(lái)自超大質(zhì)量恒星的坍縮，這一過(guò)程也進(jìn)行得更慢。粒子在內(nèi)爆或爆炸過(guò)程中加速。在冰立方的科學(xué)家檢查過(guò)的 800 多次γ射線暴中，沒(méi)有一例伴隨中微子的爆發(fā)。這暗示了冰立方看到的宇宙中微子中，最多只有 1% 是由γ射線暴產(chǎn)生的【6】。

活動(dòng)星系核是中心有超大質(zhì)量黑洞的星系，中央黑洞吸積周圍氣體。在黑洞噴發(fā)出的物質(zhì)流中，粒子可以加速到接近光速。但是冰立方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)高能中微子和噴流指向地球的活動(dòng)星系之間的聯(lián)系，暗示活動(dòng)星系最多只能解釋 30% 中微子的來(lái)源【7】。

其它不太可能的來(lái)源包括：星暴星系，星系中包含恒星形成異常劇烈并且充滿超新星爆發(fā)的塵埃區(qū)域【8】；磁星，強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)繞的中子星，能夠持續(xù)幾天大量噴出高能中微子（理應(yīng)被冰立方看到過(guò)）；和超新星遺跡，雖然被認(rèn)為是銀河系中觀測(cè)到的大多數(shù)低能宇宙射線（能量低于 1016 eV）的來(lái)源，但它們的磁場(chǎng)太弱，沒(méi)法解釋最高能量的中微子【9】。

更多非主流的可能性有待檢驗(yàn)：尚未發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生高能中微子；或是宇宙弦（大爆炸留下的時(shí)空間斷）的衰變。

冰立方也檢驗(yàn)了其它替代理論。它約束了中微子如何從一種味“振蕩”到另一種，并且對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)以及高能大氣簇射的成分加以限制。

KM3NeT陣列的一串光學(xué)模塊（圖片來(lái)源：PAOLO PIATTELLI）

下一代中微子探測(cè)器

現(xiàn)在有兩種前進(jìn)方式：擴(kuò)大現(xiàn)有的光學(xué)陣列收集更多中微子，或是找到其它方法分離高能宇宙中微子。兩種方法覆蓋不同的能量范圍，因此物理上互補(bǔ)。兩者各有優(yōu)勢(shì)，都應(yīng)得到支持。

首先，更大的光學(xué)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡可以安裝在冰或湖、海洋中——類似冰立方和 ANTARES，配備更有效的光學(xué)傳感器，采用更廉價(jià)的技術(shù)。針對(duì)這些概念，幾個(gè)研究組發(fā)展了先進(jìn)的設(shè)計(jì)但缺乏資金。新的探測(cè)器能在本世紀(jì) 20 年代初期完成建造并投入運(yùn)轉(zhuǎn)。而對(duì)于冰立方，技術(shù)改善包括采用更有效的鉆井技術(shù)和使用適合更窄鉆孔的傳感器，這樣能降低鉆井成本。

不同的地點(diǎn)有不同的優(yōu)點(diǎn)。南極洲擁有一大片干凈致密的冰層以及基礎(chǔ)設(shè)施。而北半球（例如地中海）的陣列能夠更直接地觀測(cè)來(lái)自銀河系中心穿過(guò)地球的宇宙中微子，不需要像南半球的觀測(cè)地那樣篩除下行的大氣中微子事例。淡水中不含鉀-40，生物光更弱（同位素衰變和水中生物發(fā)出的光會(huì)混合在背景光中干擾對(duì)粒子軌跡的追蹤），冬天還有凍結(jié)的冰層簡(jiǎn)化施工，使得貝加爾湖成為具有吸引力的觀測(cè)地。

第二種方法需要捕獲能量高于 108GeV 的中微子。這個(gè)能量級(jí)的中微子非常罕見(jiàn)（冰立方?jīng)]有觀測(cè)到），并且需要至少 100 km3 的陣列以捕獲足夠的事例。由于切倫科夫光在冰或水中只能行進(jìn)幾十米，覆蓋如此龐大的體積需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)探測(cè)器，這將非常昂貴。

更加實(shí)際的辦法是搜尋中微子與南極冰蓋相互作用產(chǎn)生的射電輻射。中微子撞擊冰中的原子核時(shí)會(huì)產(chǎn)生帶電粒子簇射，這些粒子發(fā)出頻率在 50MHz到 1GHz范圍內(nèi)的射電波（也會(huì)有可見(jiàn)光）。射電波可以在冰中傳播幾千米，因此 100 km3 的射電傳感陣列上儀器密度更低，大約每立方千米 1 臺(tái)。能量高于 108 GeV 的中微子產(chǎn)生的射電脈沖強(qiáng)度足以被冰中的天線探測(cè)到。兩個(gè)國(guó)際研究組正在搭建雛形，并尋求資助進(jìn)行擴(kuò)建。

通行綠燈

在負(fù)擔(dān)得起的范圍內(nèi)，下一代設(shè)計(jì)準(zhǔn)備就緒，我們需要決定設(shè)計(jì)重點(diǎn)并部署資金。主要障礙在于有限的國(guó)家科學(xué)預(yù)算和資助機(jī)構(gòu)儲(chǔ)備。中微子天文學(xué)介于粒子物理、核物理以及天體物理之間，需要集中三者資源來(lái)實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)。

首先，冰立方和 ANTARES 的繼任實(shí)驗(yàn)中至少有一個(gè)應(yīng)該得到資金并進(jìn)行建造。升級(jí)后的冰立方實(shí)驗(yàn)（即“IceCub-Gen2”）和擬建的歐洲項(xiàng)目 KM3NeT 都是有力的候選者（見(jiàn)表格）。如果有必要，冰立方、KM3NeT 和擬建的俄羅斯望遠(yuǎn)鏡陣列“十億噸容量探測(cè)器”（the Gigaton Volume Detector）【10】的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該嘗試合并，在性價(jià)比最高的地點(diǎn)集中建造一個(gè)大型探測(cè)器。資金籌措也該面向更廣的范圍，包括粒子物理和核物理研究機(jī)構(gòu)。

其次，至少一個(gè) 100 km3 級(jí)的射電探測(cè)器陣列需要獲得批準(zhǔn)。因?yàn)檫@樣的項(xiàng)目只能在南極洲進(jìn)行，責(zé)任就落在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)身上。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)是南極洲研究最大的支持者，實(shí)際上也是擁有足夠后勤資源來(lái)完成這個(gè)項(xiàng)目的唯一機(jī)構(gòu)。很多非美國(guó)機(jī)構(gòu)也對(duì)此感興趣，因而應(yīng)當(dāng)建立合作關(guān)系并在全世界范圍內(nèi)分擔(dān)費(fèi)用。一旦獲批，這一陣列能在 2030 年前擴(kuò)建到 100 km3的覆蓋面積，用于監(jiān)測(cè)超高能宇宙事件。

通過(guò)尋找超高能中微子和宇宙射線的來(lái)源，或者說(shuō)排除剩下的模型，下一代中微子觀測(cè)必定會(huì)有所發(fā)現(xiàn)。

撰文 Spencer Klein（勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)部門資深科學(xué)家，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校物理學(xué)研究員）

翻譯 金莊維

審校 寒冬

參考文獻(xiàn)：

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

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

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原文鏈接：

http://www./news/physics-invest-in-neutrino-astronomy-1.19954