從2011年以來，南極冰立方探測器一共探測到100個來自遙遠宇宙的中微子，其探測能量僅對低於10的15次方電子伏特中微子有用，對於高能中微子沒有效果。於是一個空白領域出現了，對於高能中微子，我們該如何探測？沒關係，中國科學家來搞定。

出品：太空伊卡洛斯

在1930年代，二戰陰影籠罩著歐洲，但阻擋不了這些科學家對世界未知領域前進的步伐。查德威克發現中子之後還沒兩年，大科學家費米就通過β衰變理論預測，中子可衰變為質子、還有一種較小的中性粒子。我們目前知道，這個中性粒子就是電子反中微子。1942年，科學家通過β捕獲方式探測到中微子的存在，時隔40年後，1987A超新星爆發也探測到了中微子。經過近百年的努力，科學界肯定了中微子的存在，認為這是一種費米子，僅僅通過弱相互作用與其他物質發生作用，因為弱力主要在核反應中起到關鍵作用，因此我們可以得知中微子可以來自核反應過程。換句話說，宇宙中的恆星就是一箇中微子發射源，其機制是四個質子通過核聚變形成一個氦核，然後釋放一個電子中微子。

圖注：這是中微子形成的宇宙機制，來自極端宇宙事件，比如超新星爆發

我們的太陽每時每刻都在釋放中微子，科學家估計每秒有600多億個中微子穿透每平方釐米的面積。這也帶出了中微子的特點：可以不受干擾地穿過任何一個宏觀物體，當然也包括你的身體。目前探測中微子最先進的設施就是位於南極的冰立方探測器，耗資2.75億美元，數千根光電倍增管從南極冰層上方垂直深入冰層下方，從2011年以來，一共探測到100個來自遙遠宇宙的中微子，其探測能量僅對低於10的15次方電子伏特中微子有用，對於高能中微子沒有效果。於是一個空白領域出現了，對於高能中微子，我們該如何探測？沒關係，中國科學家來搞定。

圖注：南極冰立方探測器在10年左右的時間才探測到100多箇中微子

圖注：1970年探測到的中微子

巨型中微子探測射電列陣工作原理

中國和其他國家聯合推出的一項高能中微子碳計劃正在實施中，這就是巨型中微子探測射電列陣。該陣列計劃用20萬個低成本天線部署在全球各地的山脈上，因為山脈上可遠離干擾源，可收集到能量超過10的17次方的高能中微子。用20萬個天線陣把地球“編織”起來，變成一張中微子捕獲網，中國科學家要“兜住”中微子。其探測機制是利用高能中微子在地球大氣層中相互影響釋放的不同信號來揪出它們的蹤跡，當中微子抵達地球的時候，會與空氣中的粒子發生碰撞，形成次級粒子雨。如果我們能夠將捕獲網布撒到全球高山上，那麼就可以探測到高能中微子。

圖注：三種中微子可參與弱相互作用

中微子的特點也是如此，它與其他物質的作用力很弱，能夠暢通無阻地來到地球。不過隨著中微子能量的增強，中微子與其他物質的互相影響發生概率也隨之變大，因此到達地球的超高能中微子很有可能會產生作用，由此產生了壽命較短的τ中微子並進入大氣層。τ中微子在大氣層中進行衰變，併產生大量的新粒子，其中包括數十億電子和正電子，在兆赫頻率範圍內受到地磁的影響，最終發出脈衝無線電信號。科學家只要架設50至200兆赫的天線可以輕鬆地探測到這種信號，這也就是巨型中微子探測射電列陣（GRAND）運作的原理。

圖注：部署在高海拔區域的低成本天線

把地球“編織”起來形成一張捕獲網

不過（超）高能中微子的進入地球的量很低，因此我們需要一臺巨大探測器來幫助，增加探測成功的幾率。這就像南極冰立方探測器那樣，有數千根光電倍增管建立一個捕獲網，位置選在南極也是遠離人類活動干擾源。巨型中微子探測射電列陣的思路也是如此，建立在全球各地的高山上，遠離人類干擾源，比如核反應堆，分佈在20萬平方公里範圍內，面積相當英國國土面積，探測宇宙高能粒子引起的低頻無線電輻射，形成世界上最大的無線電陣列。該陣列還能夠探測宇宙射線和伽馬光子發出的無線電信號，因此它是一個多功能的超高能天文臺，功能遠不止探測中微子那麼簡單。

圖注：高山可遠離干擾源，無線電環境極佳

我國青海省冷湖鎮今年即將開啟GRANDproto300實驗，該實驗不僅能夠探測到宇宙射線自起源起被銀河系外資源支配的轉變能量，還能搜尋到來自各種天體物理事件產生的短暫無線電信號，包括快速的無線電爆發以及巨大的無線電脈衝。第二階段GRAND10k計劃將由一萬根天線構成，這是一次GRAND探測到超高能中微子的機會。GRAND10k的建造需要等五年再開始。GRAND10k還將探測到超高能宇宙射線的歷史次數，並實現對超高能伽馬射線最高靈敏度的探測。最後一個階段是由20萬根天線構成的Grand200K階段，這些天線將分佈於全球大約20個不同的“熱點”中，即史上最有利、無線電最安靜的地方。在此階段，GRAND陣列能夠將其物理能力發揮到極致，尤其在觀測超高能中微子方面，將於2030年代面世。

圖注：高能中微子可窺視宇宙極早期的奧秘

綜上，由中國科學家牽頭的GRAND中微子探測計劃針對高能中微子，能量大於10的17次方電子伏特，也能探測到10的20次方電子伏的中微子。需要指出的是，10的20次方電子伏的中微子起源非常特別，可能來自宇宙極早期時宇宙射線與微波背景輻射相互作用時產生的，如果能夠捕捉到它們的參數，那麼對揭開宇宙極早期階段的奧秘有很大的推動作用。第一批天線建造點位於我國內蒙、甘肅等地，後期將遍佈全球，也是中國建立的世界級探測器。