“波”“粒”二象探测极高能中微子

01 极高能中微子

中微子是构成物质世界的基本微观粒子之一，于1930年由著名物理学家沃尔夫冈·泡利提出。中微子具有微小但非零的质量，不带电，和物质相互作用很弱，在宇宙空间中沿直线传播，可以轻易穿透天体乃至整个宇宙，因此是回溯起源天体、揭示天体内部性质的重要信使。当下，中微子依然是物理学和天文学领域的热门课题。

本文将介绍极高能中微子——能量从百 PeV（1 PeV = 10¹⁵ eV）至百 EeV (1 EeV = 10¹⁸ eV )，它们的产生很可能与宇宙线起源这一持续了超过一百年的重要科学问题密切相关。

不同实验测得的极高能宇宙线能谱，在高能段出现了有趣的“膝”结构和“踝”结构。丨 图源：维基百科

02 射电探测

极高能段的中微子流量极低，按照踝区能段（10¹⁸~10¹⁹ eV）的带电宇宙线能谱的测量结果，一平方千米面积的地面平均一年才能收集到一个宇宙线粒子！极高能中微子的事例率更低，其探测效率也更低，因此需要极大面积的探测阵列去收集事例。

〇 传统方法：粒子探测

目前宇宙线探测实验主要分为直接探测（基于卫星或者高空气球），以及地面间接探测。这两类方法各有侧重且相互补充，近些年都取得了一些很好的进展。地面间接探测所采用的探测方法主要包括粒子计数型探测器（包括闪烁体探测器，气体探测器和水切伦科夫探测器）、大气荧光望远镜、大气切伦科夫成像望远镜等。这些类型的实验主要探测空气簇射产生的次级粒子和荧光、切伦科夫光子，可以看作粒子型实验。

粒子型探测器一般成本较高，后两类探测器单个规模一般较大，以至于无法大体量、大面积进行布局（这里指数千平方公里面积以及更大区域），因此对于极高能中微子的探测具有短板。

传统地面空气簇射实验的基本构型丨 图源：维基百科

〇 新型方法：射电探测

对于地面实验，极高能宇宙线进入大气后的簇射过程像雪崩效应一样在地球大气层中充分发展，到达地面时可能覆盖近平方公里的区域面积。大气簇射过程产生的正负带电次级粒子，极容易受到地球磁场的偏转，正负粒子在地磁场中自然地分开形成电场，这个电场随着簇射的演化而变化，从而产生电磁辐射！这种电磁波约在几十兆到百兆赫兹短波频段（~100 MHz，波长约3米），这为宇宙射线的射电探测提供了物理依据。

在科学目标需要的情况下，也可以在射电探测天线阵列中少量放一些辅助的粒子探测器，真正实现“波”与“粒子”的协同测量。事实上，在上世纪60年代，科学家已经探测到这种极高能宇宙线产生的电磁辐射，但因为技术原因和粒子探测器方向的快速发展，基于射电辐射探测极高能宇宙线在几十年中进展缓慢。

进入本世纪后，得益于人类在半导体器件、集成电路等方面的快速发展，快速数字化读出方案变得可行，使得探测极高能宇宙线产生的射电辐射成为可能；同时，理论科学家从第一性原理出发，更好地理解了大气簇射产生射电辐射的物理过程，并得到几个探路者实验的验证。

极高能宇宙线伴随射电辐射的示意图像丨图源：维基百科

〇 射电探测的优点

射电探测方案为何获得重生和青睐？原因在于：

• 相较于大规模布置粒子探测器，同样的实验规模下，射电探测天线造价非常便宜，特别适合批量化生产，同时有利于进行更大规模布局；

• 相比于相同科学目标的地面探测实验（大气荧光望远镜）需在晴朗无月的夜晚观测，射电探测可以实现接近全天候观测，在相同时间内可以收集更多极高能宇宙线事例；

• 从物理原理上看，射电辐射主要来自大气簇射过程中产生的正负电子，这一过程产生的粒子被称为电磁簇射成分。不同于强子相互作用，电磁簇射是人们目前认识最深刻和清晰的，因此，等同于我们在利用认识最清楚的物理过程探测极高能中微子，自然可以获得更好的测量结果；

• 同时，几十兆到百兆赫兹的射电信号在大气中的吸收和散射都非常弱，可以很好地反演原初入射粒子的性质，极有利于研究极高能宇宙线成分、起源和加速等重要科学问题。

〇 射电探测高能中微子

国际上目前有一些大型的地面实验阵列在极高能宇宙线探测领域已经取得一些显著的进展，但针对极高能中微子宇宙线的探测仍然是科学界的一大难题。借助射电探测方法，通过大规模地布置地面天线，可以探测那些大角度入射或者穿过山体的中微子。

作为前期的阶段性目标，极高能带电宇宙线的射电探测则更加容易实现，且带电宇宙线信使同样可以解答非常重要的科学问题。一个富有挑战性的课题是鉴别极高能宇宙线的成分（即质量数），这对于理解极高能宇宙线起源、传播非常重要，而射电探测有望获得目前最好的测量结果。

不过需要注意的是，因为银河系存在射电背景，该方法能够探测的宇宙线能量阈值大约为几十 PeV（10¹⁶eV），更低能的粒子产生的射电信号将淹没在银河系射电背景中而很难被识别出来。

GRAND实验极高能宇宙线射电探测示意图 ▏图源：GARND科学白皮书

03 中国的探路者

依托于我国此前在新疆天山地区进行的“宇宙第一缕曙光探测”研究项目，一个由中、法科学家组成的国际团队在天山地区进行了宇宙线的射电探测，发展了基于射电探测天线的自触发方法，使得大规模布置射电天线进行极高能宇宙线探测这一路线更加坚实！该实验英文全称The Tianshan radio experiment for neutrino detection （简称TREND）。

由于人迹罕至，且实验站址四周高山环伺，当地的射电环境非常干净，天线对低频射电信号非常灵敏，通过多个天线在极短的时间内被触发进行事例判选。TREND项目成功探测到一些极高能宇宙线事例，证明了射电探测的可行性，同时借助高山作为宇宙线的屏蔽体进行极高能中微子探测。

中国科学院紫金山天文台正牵头组织与国内外多个研究所和大学一起，在我国西部地区选择合适的站址进行更大规模的宇宙线探测项目（Giant Radio Array for Neutrino Detection, GRANDProto 300），即先开展约300架天线规模的实验。

近几年项目组先后实地调研了青海省、甘肃省的部分地区，测量了当地的电磁环境，初步选定了实验站址，并与当地政府达成初步合作意愿。同时，射电探测天线经过数年的发展迭代，目前已批量生产了上百架天线，数字化读出电子学设备等正在调试中，其他工作，包括国际合作、数据分析软件框架等正有条不紊的进行。

04 向未来出发！

探索宇宙是人类永恒的追求。宇宙中的一些极端物理过程产生极高能中微子和宇宙线，它们的能量远超人造加速器能达到的能量，提供给我们理解极高能量下物理现象和规律的重要工具。GRAND所关注的低频射电辐射在已有的射电天文实验中很少涉及，因此在低频射电天文研究方面也有可能带来意外惊喜。

尤为重要的是在中国广袤的西部地区存在大量射电宁静的优异候选站址，为我们开展相关实验研究提供了独特的机遇。相信通过持续的技术研发和精心的科学准备，在不久的将来我们将可以搭建起射电中微子探测的实验阵列，做出重要的科学发现，提升我国在极高能宇宙线和中微子领域的显示度和影响力。

（左）定型的两个探测单元，（右）放置在紫台的三台测试用天线探测单元丨图源：GRAND团队

参考文献：

J.A. Ivarez-Mun et al. (The GRAND Collaboration) Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 219501 (2020) (GRAND 项目白皮书)

来源：中国科学院紫金山天文台