从2011年以来，南极冰立方探测器一共探测到100个来自遥远宇宙的中微子，其探测能量仅对低于10的15次方电子伏特中微子有用，对于高能中微子没有效果。于是一个空白领域出现了，对于高能中微子，我们该如何探测？没关系，中国科学家来搞定。

出品：太空伊卡洛斯

在1930年代，二战阴影笼罩着欧洲，但阻挡不了这些科学家对世界未知领域前进的步伐。查德威克发现中子之后还没两年，大科学家费米就通过β衰变理论预测，中子可衰变为质子、还有一种较小的中性粒子。我们目前知道，这个中性粒子就是电子反中微子。1942年，科学家通过β捕获方式探测到中微子的存在，时隔40年后，1987A超新星爆发也探测到了中微子。经过近百年的努力，科学界肯定了中微子的存在，认为这是一种费米子，仅仅通过弱相互作用与其他物质发生作用，因为弱力主要在核反应中起到关键作用，因此我们可以得知中微子可以来自核反应过程。换句话说，宇宙中的恒星就是一个中微子发射源，其机制是四个质子通过核聚变形成一个氦核，然后释放一个电子中微子。

图注：这是中微子形成的宇宙机制，来自极端宇宙事件，比如超新星爆发

我们的太阳每时每刻都在释放中微子，科学家估计每秒有600多亿个中微子穿透每平方厘米的面积。这也带出了中微子的特点：可以不受干扰地穿过任何一个宏观物体，当然也包括你的身体。目前探测中微子最先进的设施就是位于南极的冰立方探测器，耗资2.75亿美元，数千根光电倍增管从南极冰层上方垂直深入冰层下方，从2011年以来，一共探测到100个来自遥远宇宙的中微子，其探测能量仅对低于10的15次方电子伏特中微子有用，对于高能中微子没有效果。于是一个空白领域出现了，对于高能中微子，我们该如何探测？没关系，中国科学家来搞定。

图注：南极冰立方探测器在10年左右的时间才探测到100多个中微子

图注：1970年探测到的中微子

巨型中微子探测射电列阵工作原理

中国和其他国家联合推出的一项高能中微子碳计划正在实施中，这就是巨型中微子探测射电列阵。该阵列计划用20万个低成本天线部署在全球各地的山脉上，因为山脉上可远离干扰源，可收集到能量超过10的17次方的高能中微子。用20万个天线阵把地球“编织”起来，变成一张中微子捕获网，中国科学家要“兜住”中微子。其探测机制是利用高能中微子在地球大气层中相互影响释放的不同信号来揪出它们的踪迹，当中微子抵达地球的时候，会与空气中的粒子发生碰撞，形成次级粒子雨。如果我们能够将捕获网布撒到全球高山上，那么就可以探测到高能中微子。

图注：三种中微子可参与弱相互作用

中微子的特点也是如此，它与其他物质的作用力很弱，能够畅通无阻地来到地球。不过随着中微子能量的增强，中微子与其他物质的互相影响发生概率也随之变大，因此到达地球的超高能中微子很有可能会产生作用，由此产生了寿命较短的τ中微子并进入大气层。τ中微子在大气层中进行衰变，并产生大量的新粒子，其中包括数十亿电子和正电子，在兆赫频率范围内受到地磁的影响，最终发出脉冲无线电信号。科学家只要架设50至200兆赫的天线可以轻松地探测到这种信号，这也就是巨型中微子探测射电列阵（GRAND）运作的原理。

图注：部署在高海拔区域的低成本天线

把地球“编织”起来形成一张捕获网

不过（超）高能中微子的进入地球的量很低，因此我们需要一台巨大探测器来帮助，增加探测成功的几率。这就像南极冰立方探测器那样，有数千根光电倍增管建立一个捕获网，位置选在南极也是远离人类活动干扰源。巨型中微子探测射电列阵的思路也是如此，建立在全球各地的高山上，远离人类干扰源，比如核反应堆，分布在20万平方公里范围内，面积相当英国国土面积，探测宇宙高能粒子引起的低频无线电辐射，形成世界上最大的无线电阵列。该阵列还能够探测宇宙射线和伽马光子发出的无线电信号，因此它是一个多功能的超高能天文台，功能远不止探测中微子那么简单。

图注：高山可远离干扰源，无线电环境极佳

我国青海省冷湖镇今年即将开启GRANDproto300实验，该实验不仅能够探测到宇宙射线自起源起被银河系外资源支配的转变能量，还能搜寻到来自各种天体物理事件产生的短暂无线电信号，包括快速的无线电爆发以及巨大的无线电脉冲。第二阶段GRAND10k计划将由一万根天线构成，这是一次GRAND探测到超高能中微子的机会。GRAND10k的建造需要等五年再开始。GRAND10k还将探测到超高能宇宙射线的历史次数，并实现对超高能伽马射线最高灵敏度的探测。最后一个阶段是由20万根天线构成的Grand200K阶段，这些天线将分布于全球大约20个不同的“热点”中，即史上最有利、无线电最安静的地方。在此阶段，GRAND阵列能够将其物理能力发挥到极致，尤其在观测超高能中微子方面，将于2030年代面世。

图注：高能中微子可窥视宇宙极早期的奥秘

综上，由中国科学家牵头的GRAND中微子探测计划针对高能中微子，能量大于10的17次方电子伏特，也能探测到10的20次方电子伏的中微子。需要指出的是，10的20次方电子伏的中微子起源非常特别，可能来自宇宙极早期时宇宙射线与微波背景辐射相互作用时产生的，如果能够捕捉到它们的参数，那么对揭开宇宙极早期阶段的奥秘有很大的推动作用。第一批天线建造点位于我国内蒙、甘肃等地，后期将遍布全球，也是中国建立的世界级探测器。