用下一代中微子探测器解决超高能量鬼颗粒的谜团

用于中性腺的巨型无线电阵列

图1.超高能量粒子在宇宙中的创建和传播。信贷:©科学中国出版社

巨型Neutrino望远镜打开窗户到超高能量宇宙。

长期寻求的难以捉摸的超高能量中微子,幽灵状颗粒,即旅行宇宙级距离,是了解最高能量的宇宙的关键。检测它们是具有挑战性的,但是用于中耳检测的巨型无线电阵列(Grand),下一代中子探测器设计用于找到它们。

一个存在了几十年的谜团:能量最大的粒子从何而来?

过去五十年的天体物理学中的一个主要开放问题一直是我们已知的最能量粒子的起源,超高能量宇宙射线(UheCrs)。这些是带电的颗粒 - 质子和原子核的外星源。他们的能量比大型强子撞机的能量高次数高。

能量最大的uhecr的能量为1019ev或更多。这是一个职业球员踢出的足球的动能,集中在原子核大小。UHECRs很可能是在强大的宇宙加速器中产生的——比如活跃的超大质量黑洞和超新星——位于宇宙外部银河系,在几个Gigaparsecs(109 Parsec〜1013公里)的距离,在可观察到的宇宙中。然而,尽管我们努力,但到目前为止没有确定任何个人宇宙射线来源。

原因有两方面。首先,因为宇宙射线是带电的,它们会被存在于星系间空间和银河系内部的磁场弯曲。结果,它们到达地球的方向并不指向它们的原点。第二,在它们的地球之旅中,UHECRs随机地与渗透宇宙的宇宙光子场相互作用——特别是与宇宙微波背景作用。在相互作用中,uhecr要么被完全摧毁——因此永远不会到达地球——要么失去大量的能量——这进一步加剧了它们的磁弯曲。

幸运的是,同样的相互作用也会产生次级超高能量中微子作为副产物。我们可以用它们作为我们寻找UHECRs来源和属性的代理。

超高能中微子

中微子是具有独特性质的基本颗粒:它们是光,电中性的,并且几乎没有物质或光子相互作用。这使得难以检测它们。但它也意味着,与宇宙射线不同,超高能中微子不被磁场弯曲,也不是与宇宙光子相互作用的能量而不是弯曲。因为宇宙对他们不透明,所以即使在最高能量和最远处的位置也能够到达地球。

中微子继承了父母Uhecrs的5%的能量。因此,从1019eV(10eEV,10 eev = 1018ev)的Energies的中微子是从UHEN的uhegr的20倍,除非他们在附近生产。因此,通过研究EEV NeverRinos,我们间接地研究了200-EEV宇宙射线,在观察到的宇宙射线能谱的最终处。因为这些宇宙光线不太可能到达地球,所以Neutrinos提供了研究它们及其来源的唯一可行的方法。

隆重检测原则

图2.这是隆重的检测原理。信贷:©科学中国出版社

在UHECRS与宇宙微波背景的相互作用中产生的超高能量中微子,以到地球途中,称为美容中微子。参见图1.它们的能谱编码有关他们的父母UHECR的信息 - 特别是它们的能量分布批量组成以及它们到达的最大能量。美容中微子也携带有关UHECR来源人口的信息 - 他们的数量密度和距离 - 这可以帮助缩小候选uHECR源类的列表。除了美容中微子外,还可以在UHECR来源内进行的相互作用制造超高能中微子。与宇宙原性不同的这些中微域会在地球检测到时会点击个人来源,因此它们能够揭示个体uhecr来源。

然而,到目前为止,超高能量的中微子均已突出检测。近年来,很明显,他们的磁通量很低,即大型中微子探测器 - 大于目前存在的磁体 - 是为了发现和研究它们所需要的。盛大是这样的探测器,专门设计用于解决这一挑战。

盛大:超高能量的一个雄心勃勃的下一代天文台

盛大是一个雄心勃勃的下一代大型中微子探测器,特别是设计用于发现超高能量的中微子,即使它们的磁通量非常低。它将通过使用广泛的无线电天线阵列来实现这一点,以检测由在地球大气中相互作用的超高能中微子制成的不同的无线电信号。

Neutrinos通常随着物质的无力互动,并且能够在没有停止的情况下穿过地球。然而,中微子与物质相互作用的概率随着它们的能量而变化。因此,到达地球的超高能中微子有很大的机会在地球内部互动。

当三种已知类型的中微子 - “Tau Nearlinos”中的一个 - 在地下互动时,它产生短暂的粒子 - 一个“Tau Lepton” - 进入大气中。在那里,它衰减并造成新颗粒的淋浴,包括许多数十亿的电子和正弦,即在地球磁场的影响下发射MHz频率范围内的脉冲无线电信号。可以使用在50-200 MHz制度中使用相当简单的天线检测此信号。这是盛大的检测原则。它在图2中示出。

由于超高能中微子的预期通量非常低,因此我们需要一个巨大的探测器来增加检测机会。因此,Grand旨在使用天线覆盖200,000平方公里的总面积,使其成为世界上最大的无线电阵列。此外,Grand将对由超高能量宇宙射线和伽马射线产生的类似无线电信号敏感,使其成为多功能的超高能量天文台,而不仅仅是一种中微子探测器。

多年来,其他实验探索了超高能量颗粒的无线电检测技术,如皮埃尔·螺旋钻天文台和龙马。然而,宏伟的庞大代表了一个后勤挑战。我们将通过在逐步较大的阵列的阶段建造盛大。在每个阶段,科学目标和研究和开发(研发)将携手共进。

目前,GrandProto300是一家300天线工程阵列,在中国青海省镇镇附近正在建设中。它已经足够敏感,以研究观察到的宇宙射线的起源开始由丙型源源的起源。它还将搜索来自天体物理事件的瞬态无线电信号,例如快速的无线电突发和巨大的无线电脉冲。

下一个阶段,GRAND10k,将由10000个天线组成。它将是大到能够提供第一个探测超高能量中微子的机会的第一阶段。GRAND10k的建设预计将在大约五年内开始。GRAND10k还将探测到创纪录数量的超高能量宇宙射线,并实现对超高能量伽马射线的最佳灵敏度。

最后,目标阶段,GRAND200k将由20万根天线组成。这些天线将安装在几个(大约20个)不同的“热点”,也就是世界上有利的、无线电静默的位置。在这个阶段,GRAND将发挥其全部的物理潜力,特别是对超高能量中微子的最佳灵敏度。GRAND200k计划在21世纪30年代推出。丰富的科学案例和具有挑战性的研发需要创造伟大吸引了来自不同国家的科学家一起工作。目前正在准备通过不同机构之间的谅解备忘录使宏大的组织结构形式化的步骤。此外,青海省政府正在提供必要的基础设施,并确保大万克遗址没有人为的背景源。除了带来伟大的科学,GRAND还可能成为在中国领导下的真正全球性科学合作的成功范例。

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注意:1eV(ElectorVolt)是1.6×* 10 ^ 19J。

参考:巨型中微子探测射电阵(GRAND):Jaime Alvarez-Muniz科学与设计”,拉斐尔•阿尔维斯巴蒂斯塔Aswathi Balagopal V,朱利安Bolmont, Mauricio法典,华盛顿卡瓦略,迪迪埃率直的,Ismael Cognard Valentin Decoene,彼得·b·丹顿Sijbrand德容,Krijn d . De Vries拉尔夫•恩格尔Ke方,乍得芬利,斯特凡诺Gabici,关丽珍,但郭台铭,小君,顾,克莱尔·Guepin香港,Bo,燕黄,久美子Kotera,桑德拉·勒因为让-菲利普•Lenain,郭,梁LuOlivier Martineau-Huynh,米格尔MostafaFabrice Mottez,Kohta Murase、Valentin nies Foteini Oikonomou, Tanguy Pierog,香,李钱先生,Bo秦,段跑,尼古拉•Renault-Tinacci马库斯·罗斯,弗兰克·g·施罗德Fabian Schussler,西里尔腿罩,查尔斯·蒂默曼Matias Tueros,香,伍子胥,Philippe Zarka安德烈亚斯泽赫,b .西奥多·张,李,张,郑钱和安妮齐勒,2019年8月4日,科学中国物理,力学与天文学
DOI: 10.1007 / s11433 - 018 - 9385 - 7

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