思羽/編譯

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物理：投資中微子天文學(xué)

思羽/編譯

一臺(tái)光傳感器從鉆孔進(jìn)入地下，開始總計(jì)2500米的旅程，成為南極洲“冰立方”中微子探測(cè)器的一部分

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

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

中微子是弱相互作用的亞原子粒子，它們能夠遠(yuǎn)距離穿越太空，甚至能穿透地球。“冰立方”探測(cè)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(zhì)子的靜質(zhì)量）以上。當(dāng)宇宙射線——來自太空的高能質(zhì)子或重核——與物質(zhì)或光發(fā)生相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中微子。這個(gè)過程可能發(fā)生在宇宙射線產(chǎn)生的地方，也可能發(fā)生在宇宙射線稍后進(jìn)入地球大氣層時(shí)，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(chǎn)生的中微子數(shù)量比宇宙的中微子多出了幾百倍。

許多物理學(xué)謎題有待中微子天文學(xué)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(chǎng)陣列”（Volcano Ranch array）探測(cè)到大量粒子簇射，而這些粒子來自沖進(jìn)高空大氣層的一道宇宙射線，宇宙射線帶著1011GeV（相當(dāng)于一次網(wǎng)球發(fā)球的能量被塞入一個(gè)原子核中）以上的動(dòng)能。自從那時(shí)起，人類已經(jīng)探測(cè)到幾十次類似的事件。但是在50年之后，物理學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地球上的粒子加速器（譬如瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC））的范圍；模仿它們需要有一個(gè)與地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道一樣大的環(huán)。

對(duì)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(zhì)量、它們?nèi)绾螐囊环N形態(tài)（味）變換成另一種形態(tài)、預(yù)測(cè)的其他中微子形態(tài)（譬如惰性中微子）是否存在。中微子也能夠幫助尋找暗物質(zhì)，暗物質(zhì)是一種看不見的物質(zhì)，參與了控制恒星、氣體和星系的運(yùn)動(dòng)。衰變或湮滅中的暗物質(zhì)能夠產(chǎn)生高能中微子，中微子望遠(yuǎn)鏡能觀測(cè)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(tái)極為龐大的探測(cè)器以捕捉足夠多的粒子，這樣就可以區(qū)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）?！氨⒎健笔悄壳斑\(yùn)行中的最大型的中微子探測(cè)器陣列，但它仍然太小，數(shù)據(jù)收集太過緩慢，難以在下個(gè)十年里取得重要突破。

要探索宇宙中這個(gè)最大能量的過程，規(guī)模更大的中微子觀測(cè)臺(tái)是必不可少的，未來的中微子觀測(cè)臺(tái)的體積會(huì)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(zhì)量，研究中微子如何與地球內(nèi)的物質(zhì)相互作用，這樣就能區(qū)分或排除某些額外空間維度的模型，闡明高能核物理的關(guān)鍵議題，譬如重核內(nèi)膠子（在夸克之間傳遞強(qiáng)作用力）的密度。

中微子望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)方案已有初步設(shè)想，能在五到十年內(nèi)建立并運(yùn)行起來——前提是天體物理、粒子物理和核物理的同仁能夠團(tuán)結(jié)一致、共同資助。由若干中微子觀測(cè)站構(gòu)成的互補(bǔ)平臺(tái)將測(cè)試物理性質(zhì)，其能量超出LHC，花費(fèi)只是LHC經(jīng)費(fèi)的部分：幾千萬到幾億美元而已，而不會(huì)像LHC那樣耗費(fèi)幾百億美元。

問題多過答案

2010年，位于南極洲的“冰立方”進(jìn)入完全運(yùn)行狀態(tài)（我從2004年起就參與了該項(xiàng)目），檢測(cè)到藍(lán)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(fā)生相互作用后形成的帶電粒子發(fā)出的輻射。計(jì)算機(jī)通過梳理數(shù)據(jù)尋找相互作用——從一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的粒子的長軌跡或放射性級(jí)聯(lián)?！氨⒎健泵磕陼?huì)探測(cè)到五萬多個(gè)可能是中微子的對(duì)象。其中，只有不到1%來自太空。

有好幾種方法能夠區(qū)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(huì)伴隨有粒子簇射，這個(gè)現(xiàn)象可以用冰層表面上的探測(cè)器看到。在這些簇射中產(chǎn)生的短壽命亞原子粒子——U介子——比中微子的數(shù)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(jìn)的U介子的信號(hào)大概來源于大氣層。向上行進(jìn)（穿過地球）或源自于陣列體量內(nèi)的某個(gè)點(diǎn)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(jīng)觀察到大約60個(gè)可能來自于外太空的中微子目標(biāo)。而其他實(shí)驗(yàn)裝備因?yàn)橐?guī)模太小而無法探測(cè)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(cè)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(duì)地外中微子的探測(cè)率和預(yù)期中一樣高，假如世上存在更多的中微子，它們會(huì)耗盡宇宙射線的大部分能量。地外中微子的來源應(yīng)該很容易找到。但事實(shí)是我們尚未找到，這就是一個(gè)越來越大的謎團(tuán)。

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(gè)研究團(tuán)體暗示說，中微子與銀河平面有著微弱的聯(lián)系。分析也不贊成一度認(rèn)為有可能是加速的高能量的宇宙射線和中微子的多個(gè)地點(diǎn)，其中包括伽瑪射線暴（GRBs）和活動(dòng)星系核（AGNs）。

伽瑪射線暴是指強(qiáng)勁的伽瑪射線在短時(shí)間內(nèi)突然增強(qiáng)，并被衛(wèi)星接收到。學(xué)界認(rèn)為它們是從黑洞與中子星或其他黑洞合并過程中發(fā)出的（產(chǎn)生迅速增強(qiáng)的伽瑪射線，持續(xù)時(shí)間不到2秒）；或者來自于超大質(zhì)量恒星較慢的坍縮（持續(xù)幾秒或幾分鐘）。粒子因?yàn)楸ǘ铀?。在“冰立方”科學(xué)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(fā)，暗示在“冰立方”觀測(cè)到的地外中微子中，由伽瑪射線暴生成的最多占1%。

活動(dòng)星系核是指中心擁有超大質(zhì)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(zhì)噴流中加速到相對(duì)論速度。但“冰立方”沒有發(fā)現(xiàn)高能中微子與向地球噴流的活動(dòng)星系之間的聯(lián)系，暗示活動(dòng)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(qū)域；磁星是被強(qiáng)磁場(chǎng)圍繞的中子星，會(huì)在幾天時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)有力的中微子爆發(fā)（這些本應(yīng)該已經(jīng)被“冰立方”觀測(cè)到）；超新星遺跡的磁場(chǎng)太弱，從而無法解釋高能量的中微子，但超新星遺跡被認(rèn)為是銀河系里看到的大多數(shù)低能量（最高約為1016電子伏特）宇宙射線產(chǎn)生的原因。

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

“冰立方”也測(cè)試過另外的物理學(xué)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(zhì)的性質(zhì)和高能空氣簇射的成分設(shè)定限度。

下一代

繼續(xù)推進(jìn)研究有兩種方式：擴(kuò)充目前的光學(xué)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(xué)上的互補(bǔ)性。兩種方式都值得支持。

首先，大型光學(xué)切連科夫望遠(yuǎn)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(xué)傳感器和更便宜的技術(shù)。多個(gè)研究團(tuán)體已經(jīng)為這些概念研發(fā)出先進(jìn)設(shè)計(jì)方案，但缺乏資金。到21世紀(jì)20年代早期，這些探測(cè)器就能建造和運(yùn)行。對(duì)于“冰立方”而言，技術(shù)改進(jìn)措施包括高效的鉆井技術(shù)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(diǎn)有不同的優(yōu)勢(shì)。南極洲能提供大片清潔、致密的冰塊和基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)的中微子。而南半球的地點(diǎn)就必須考慮。貝加爾湖是有吸引力的地點(diǎn)，其原因如下：淡水里沒有鉀-40，生物發(fā)光性也更低（二者會(huì)增強(qiáng)背景光，能擾亂粒子軌跡的重建）；在冬季時(shí)水面會(huì)結(jié)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(cè)到。為了捕捉到足夠多的相關(guān)事件，需要有一組體積至少為100立方千米的陣列。因?yàn)榍羞B科夫輻射的光在冰或水中只能行進(jìn)幾十米，所以覆蓋這么大的體積的話，會(huì)需要數(shù)百萬個(gè)感應(yīng)器，耗資巨大。

更加切合實(shí)際的做法是：尋找中微子與南極洲冰原發(fā)生相互作用時(shí)的電波發(fā)射。當(dāng)中微子撞擊上冰塊中的原子核時(shí)，會(huì)產(chǎn)生帶電粒子簇射，發(fā)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(yīng)陣列的儀器可以數(shù)量很少，差不多是每立方千米一個(gè)感應(yīng)器就夠了。能量超過108GeV的中微子發(fā)出的無線電脈沖應(yīng)該足夠強(qiáng)勁，冰層的天線可以接收到。兩支國際研究團(tuán)隊(duì)正在建造原型機(jī)，他們已經(jīng)尋找資金進(jìn)行擴(kuò)展。（我本人參與了這個(gè)ARIANNA項(xiàng)目。）

開啟綠燈

一系列負(fù)擔(dān)不重的下一代設(shè)計(jì)方案已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)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(yù)算和僵化的撥款機(jī)構(gòu)。中微子天文學(xué)是粒子物理、核物理和天體物理的共同領(lǐng)域，需要集中資源，才能實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的愿景。

首先，應(yīng)該資助和建造“冰立方”和“心宿二”的一個(gè)或兩個(gè)后繼者。升級(jí)版的“冰立方”實(shí)驗(yàn)（冰立方二代）和計(jì)劃中的歐洲項(xiàng)目“立方千米中微子望遠(yuǎn)鏡”（KM3NeT）都是有力的候選對(duì)象。假如有必要的話，研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該協(xié)調(diào)“冰立方”、KM3NeT和計(jì)劃中的俄羅斯陣列“10億噸容量探測(cè)器”（Gigaton Volume Detector），探索如何將這些合作項(xiàng)目予以合并，專注于一套大型探測(cè)器，建設(shè)在最具成本效益的地點(diǎn)。應(yīng)該尋求從更廣泛的機(jī)構(gòu)獲取資金支持，其中包括專注于粒子物理和核物理的機(jī)構(gòu)。

其次，至少有一項(xiàng)100立方千米的探測(cè)器陣列需要著手啟動(dòng)。因?yàn)檫@樣的項(xiàng)目只能在南極洲完成，因此美國國家科學(xué)基金會(huì)有著無可推卸的責(zé)任，畢竟美國國家科學(xué)基金會(huì)是南極洲研究的最大贊助者，從現(xiàn)實(shí)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(xiàng)目的團(tuán)體。許多非美國的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此感興趣，應(yīng)該要建立起彼此間的合作，在國際間均攤費(fèi)用。一旦證實(shí)有效，這樣的陣列能夠在2030年左右擴(kuò)充至1 000立方千米，監(jiān)控極高能量的宇宙。

通過發(fā)現(xiàn)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(cè)臺(tái)一定會(huì)取得新的發(fā)現(xiàn)。

［資料來源：Nature］［責(zé)任編輯：岳 峰］