中微子天文望遠鏡

中微子望遠鏡是一種可以測量那些來自宇宙深處、數量相當稀少的超高能中微子，並確定它們所對應的天體源方位的超大型的探測裝置。

基本介紹

• 中文名：中微子天文望遠鏡
• 原理：探測光信號來重建帶電輕子的徑跡
• 分布：冰層的深處或者黑暗的海底和湖底
• 作用：探測中微子

中微子

中微子天文學是天體物理的一個分支，主要研究恆星上可能發生的中微子過程以及這些過程對恆星的結構和演化的作用。中微子是不帶電的靜止質量為零或很小的基本粒子。它和一般物質的相互作用非常弱，除特殊情況外，在恆星內部產生的中微子能夠不受阻礙地跑出恆星表面，因此探測來自恆星內部的中微子可以獲得有關其內部的信息。

最早的研究集中在太陽。太陽的能源主要來自內部的質子-質子反應，因而會產生大量的中微子。美國布魯克海文實驗室的戴維斯等人用大體積四氯化碳作靶，利用³⁷Cl俘獲中微子的反應來探測太陽的中微子發射率。實測的結果遠遠小於恆星演化理論的太陽標準模型的預期值，這就是著名的中微子失蹤案。近年來人們發現原來使用的恆星大氣中元素的不透明度太小，改進後已有所改善。進一步日震研究改進了太陽內部結構，從而大大地緩和了這個矛盾。另一個可能是中微子有很小的靜質量。果如此則可以解釋宇宙中的質量短缺問題。

中微子還大量地產生於超新星爆發時和宇宙中其它物理過程中。在日本的一個礦井和美國的俄亥俄用一個巨大的水容器來探測切連可夫輻射，從而探測到了來自超新星SN 1987A的中微子輻射。歐洲共同體的GALLEX和俄國的一個裝置利用中微子和鎵的相互作用來探測中微子。

探測原理

我們以IceCube的探測器為例解釋一下中微子望遠鏡是如何探測中微子事例的。IceCube實驗利用了南極冰層下大範圍的純淨透明的自然冰作為探測器的載體，依照一定的間距布置了大量光學感應器，用以觀測超高能中微子進入探測器後與組成凍的原子所發生的反應。如果一個m中微子撞擊到冰原子上，將會有一個帶電的m子通過弱相互作用而產生出來。在極度透明的冰中，m子在行進過程中會發出可見的藍光，從而被光學感應器記錄下來。由於從m子的路徑可以反推出m中微子的入射方向，科學家們進而就會判斷出m中微子究竟來自哪個遙遠的天體源。簡而言之，中微子望遠鏡的探測原理就是通過探測光信號來重建帶電輕子的徑跡，從而推斷出相應的超高能中微子從何而來、能量大小和它們所攜帶的其他物理信息。

基本要求

一個高能中微子望遠鏡必須滿足下面的要求：

首先，它要足夠龐大，從而使得來自銀河系內外的稀有中微子在經過望遠鏡時可以被有效地探測；

其次，它要足夠透明，以便於觀察中微子與探測器的物質發生相互作用後所產生的光線在三維分布的光學感測器陣列中的傳播徑跡；

第三，它要足夠黑暗，以避免自然光的干擾；

第四，它要足夠深，最好安置在地表下幾公里的深處，以禁止來自宇宙線的污染；

最後，它要足夠經濟，這樣它才能在科學預算允許的範圍內被建造出來。

發展現狀

由於探測技術的提高，人們可以觀測到來自天體的中微子，導致了一種新的天文觀測手段的產生。中微子望遠鏡可以建在冰層的深處或者黑暗的海底和湖底。目前世界上建在水中的中微子望遠鏡包括BAIKAL（貝加爾湖）、ANTARES、NEMO和NESTOR（地中海），建在冰下的中微子望遠鏡則有AMANDA和更大的IceCube（南極）。IceCube探測器是一個立方公里的龐然大物，置於南極冰層下一千四百公里至兩千四百公里之處，可以測量來自最遙遠天體源的超高能中微子。

美國正在南極洲冰層中建造一個立方公里大的中微子天文望遠鏡——冰立方。法國、義大利、俄羅斯也分別在地中海和貝加爾湖中建造中微子天文望遠鏡。KamLAND觀測到了來自地心的中微子，可以用來研究地球構造。

中國

2007年初，中國科學院高能物理研究所研製的第一台超高能中微子望遠鏡在西藏羊八井調試成功，研究人員於4月再赴羊八井，在5月觀測期到來之前完成了第二台望遠鏡的系統調試任務，望遠鏡如期投入試運行。

獲悉，該所研製的第二台超高能中微子望遠鏡樣機日前在西藏羊八井投入試運行，並獲得了第一批宇宙線事例。與此同時，研究人員還在北京實現了第二台望遠鏡的全遙控試運行，成功實現了與中意合作ARGO全覆蓋地面探測器的聯合觀測。截至2007年5月23日凌晨，這台望遠鏡已觀測到50多個宇宙線事例。

高能所研究人員表示，超高能中微子望遠鏡研製的成功，標誌著中國具備了實施超高能中微子探測這一探索性研究的技術和人員條件，為超高能中微子探測研究的正式立項奠定了堅實的基礎。

2019年4月27日，在“國際合作項目GRAND(大型中微子探測陣列)理論研討會”上獲悉，中國首箇中微子望遠鏡將落戶青海海西。

歐盟

目前，歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號”——KM3中微子天文望遠鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。

儒勒·凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》講述了尼莫（拉丁語為“無此人”的意思）船長和他的“鸚鵡螺號”潛水艇的歷險故事；中微子則是我們所能知的最接近“無物質”的最小粒子，它也是一種黑暗的物質。小說中的“鸚鵡螺號”被用來探索海底世界，中微子也可以被用來觀測太空中那些遙不可及的天體。目前，歐盟正打造它的太空“鸚鵡螺號”——KM3中微子天文望遠鏡，它將安裝在地中海一立方公里的海水中。

歐洲KM3計畫的負責人之一，英國謝菲爾德大學的李·湯普森博士說：“利用中微子觀察宇宙是一種全新的技術。中微子不會被其他物質吸收，也不會被其他東西反射。中微子可以穿過我們的身體，也可以穿過地球，但它們本身絲毫不受到影響。中微子不帶電荷，它們的運動路線也不會因其他電磁場而彎曲。所以，一旦發現中微子，並判斷出它的運動方向，我們就可以發現它在宇宙中的來源。”

由於完全不受其他物質的影響，中微子可以提供關於宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，你必須有一個巨大的探測器。為了讓KM3正常工作，大量的感測器要被放置在地中海海底的一個巨大水體之內，這樣它們才能捕捉任何偶然經過的中微子軌跡。

在小說中，“鸚鵡螺號”在航行中需要防禦大型甲殼動物的攻擊。在海底工作的KM3也有自己的麻煩。它需要被安放在一個沒有過多海底生物的地方，因為這些在黑暗中大量繁殖的海底生物會自己發光，從而干擾感應器對中微子光的捕捉。