科学123: 用月球探测中微子

Rachel Courtland 文 Shea 编译

捕猎难以捉摸的中微子通常要跋涉到南极、地中海或者是贝加尔湖。但正有越来越多的项目意图通过把射电望远镜对准月球来寻找最高能的中微子。

[图片说明]：美国甚大天线阵观测月球中微子的概念图。版权：Ted Jaeger(University of Iowa)/NRAO/AUI/NSF。

如果这一尝试成功的话，它们就可能会揭示出宇宙中最强大的粒子加速器甚至是存在新物理学的证据。

中微子是一种可以轻而易举穿透物质的基本粒子，只有在极少数的情况下才会和物质中的原子核发生碰撞。迄今为止，只探测到了来自太阳和超新星1987A的地外中微子。

但天文学家怀疑宇宙充满了由宇宙加速器产生的能量甚至更高的中微子，这些宇宙加速器能把带电粒子加速到地球上最强大的加速器所能达到能量的1亿倍。

由于中微子和物质的相互作用极为罕见，为此要捕获它们就必须要用大量的物质。当中微子和原子发生碰撞的时候会产生许多粒子，这些粒子在介质中运动的时候就会发出闪光，现在的中微子探测器就是专门设计来探测这些闪光的。

巨型探测器

由于光可以较为畅通地在其中传播并且达到探测装置，因此湖泊、海洋和冰原都是理想的中微子探测材料。不过月球相对均匀、密实的月壤可能也是一个很好的中微子探测标靶。高能中微子与和月壤原子的碰撞应该会产生持续数纳秒的射电波爆发，它可以穿过月球表面运动几十或几百米。

瞄准月球边缘的射电望远镜兴许就有可能观测到这些短暂的能量爆发。但是，识别这些信号并非易事。超高能中微子碰撞事件极为罕见，天文学家预计一个月内可能只会发生数起。而射电望远镜还会受到其他信号的干扰，其中也包括人为的，这些必须被排除在外。

但月球巨大的身材可以弥补这一局限性。在这场狩猎的游戏中大小决定了一切。

聚焦月球

在2009年初一个荷兰的科学家小组使用由14面天线组成的综合孔径射电望远镜对月球中微子信号搜寻进行了尝试。该研究小组希望以后能在有超级计算机支撑的低频阵来进行更灵敏的观测。

他们并不是目前唯一的月球中微子猎手。一个美国科学家小组也在2009年使用美国的甚大天线阵进行了50小时的观测。另一个小组则使用帕克斯64米射电望远镜来搜索了有关的信号。美国绿岸天文台的一个小组则希望能利用两架退役的25米射电望远镜来和另一架望远镜组成一个阵列来搜寻中微子。

那么他们会看到什么呢？目前尚不清楚。由于天文学家们已经找到了以超常的速度运动的超高能量宇宙射线，因此他们怀疑存在超高能的中微子。当超高能宇宙线和大爆炸遗留下来的光子发生碰撞的时候，就会产生中微子。它们还有可能和物质相互作用产生更多的中微子。

奇特的来源？

但目前的月球中微子搜寻只能用于探测能量极其高的中微子，它们的能量比已知的能量最高的宇宙射线还至少要高10到1000倍。

这一能量对于宇宙中最强大的粒子加速器——例如超大质量黑洞和γ射线暴——而言可能太高了。我们熟知的常规物理过程产生不了这么高能的中微子，所以如果一旦观测到它们，就可能意味着存在新的物理学。

有人提出，紧接着大爆炸之后产生的超重暗物质粒子或者是时空拓扑结构的缺陷等等这些特异的现象可以把粒子加速到这一能量。但是，在现有的宇宙射线探测器中还没有发现与它们有关的迹象。

宇宙射线之谜

高能中微子可以帮助解决超高能宇宙射线的起源之谜。天文学家怀疑超高能宇宙线可能是被γ射线暴或者超大质量黑洞产生的物质喷流加速到高能量的。

当它们和大爆炸光子发生碰撞的时候会快速地损失能量。因此，来自1.5亿光年之外的宇宙线在到达地球之前就会“消散”。

但极少发生碰撞的中微子可以超越这一极限揭示出宇宙线是如何产生的。由于它们不带电，中微子运动轨迹不会受到宇宙中磁场的干扰。这一属性可以让天文学家回溯中微子的发源地。它们会告诉我们宇宙中从大爆炸至今最高能加速器的有关信息。

南极冰原

除了月球以外，科学家还把目光放到了南极冰盖上。与之有关的实验也是搜寻由超高能中微子撞击产生的射电信号。但是在冰层中这些信号相比在月壤中可以传播更远，也更强。不过这一实验每次运行只能持续几周，而射电望远镜则可以很容易地长年监测月亮。

而且即使目前月球实验没有发现中微子，科学家希望他们为此研发出的技术会为将来为更大、更灵敏的射电望远镜阵列——例如，一平方千米天线阵——奠定基础。虽然这个领域存在竞争，但无论是谁第一个捕捉到了这些超高能中微子都将为天文学翻开全新的一页。

（本文已刊载于《世界科学》2010年第5期）

[New Scientist 2009年8月5日]

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本文作者：SheaRachel Courtland 文 Shea 编译 捕猎难以捉摸的中微子通常要跋涉到南极、地中海或者是贝加尔湖。但正有越来越多的项目意图通过把射电望远镜对准月球来寻找最高能的中微子。 <img class="lh_lazyimg" src="http://songshuhui.net/wp-content/plugins/images-lazyload-and-slideshow/blank_250x250.gif" file="http://bolide.lamost.org//pic/MoonNeutrinoDetection.jpg"/><noscript><img src="http://bolide.lamost.org//pic/MoonNeutrinoDetection.jpg"/></noscript> [图片说明]：美国甚大天线阵观测月球中微子的概念图。版权：Ted Jaeger(University of Iowa)/NRAO/AUI/NSF。 如果这一尝试成功的话，它们就可能会揭示出宇宙中最强大的粒子加速器甚至是存在新物理学的证据。 中微子是一种可以轻而易举穿透物质的基本粒子，只有在极少数的情况下才会和物质中的原子核发生碰撞。迄今为止，只探测到了来自太阳和超新星1987A的地外中微子。 但天文学家怀疑宇宙充满了由宇宙加速器产生的能量甚至更高的中微子，这些宇宙加速器能把带电粒子加速到地球上最强大的加速器所能达到能量的1亿倍。 由于中微子和物质的相互作用极为罕见，为此要捕获它们就必须要用大量的物质。当中微子和原子发生碰撞的时候会产生许多粒子，这些粒子在介质中运动的时候就会发出闪光，现在的中微子探测器就是专门设计来探测这些闪光的。 巨型探测器 由于光可以较为畅通地在其中传播并且达到探测装置，因此湖泊、海洋和冰原都是理想的中微子探测材料。不过月球相对均匀、密实的月壤可能也是一个很好的中微子探测标靶。高能中微子与和月壤原子的碰撞应该会产生持续数纳秒的射电波爆发，它可以穿过月球表面运动几十或几百米。 瞄准月球边缘的射电望远镜兴许就有可能观测到这些短暂的能量爆发。但是，识别这些信号并非易事。超高能中微子碰撞事件极为罕见，天文学家预计一个月内可能只会发生数起。而射电望远镜还会受到其他信号的干扰，其中也包括人为的，这些必须被排除在外。 但月球巨大的身材可以弥补这一局限性。在这场狩猎的游戏中大小决定了一切。 聚焦月球 在2009年初一个荷兰的科学家小组使用由14面天线组成的综合孔径射电望远镜对月球中微子信号搜寻进行了尝试。该研究小组希望以后能在有超级计算机支撑的低频阵来进行更灵敏的观测。 他们并不是目前唯一的月球中微子猎手。一个美国科学家小组也在2009年使用美国的甚大天线阵进行了50小时的观测。另一个小组则使用帕克斯64米射电望远镜来搜索了有关的信号。美国绿岸天文台的一个小组则希望能利用两架退役的25米射电望远镜来和另一架望远镜组成一个阵列来搜寻中微子。 那么他们会看到什么呢？目前尚不清楚。由于天文学家们已经找到了以超常的速度运动的超高能量宇宙射线，因此他们怀疑存在超高能的中微子。当超高能宇宙线和大爆炸遗留下来的光子发生碰撞的时候，就会产生中微子。它们还有可能和物质相互作用产生更多的中微子。 奇特的来源？ 但目前的月球中微子搜寻只能用于探测能量极其高的中微子，它们的能量比已知的能量最高的宇宙射线还至少要高10到1000倍。 这一能量对于宇宙中最强大的粒子加速器——例如超大质量黑洞和γ射线暴——而言可能太高了。我们熟知的常规物理过程产生不了这么高能的中微子，所以如果一旦观测到它们，就可能意味着存在新的物理学。 有人提出，紧接着大爆炸之后产生的超重暗物质粒子或者是时空拓扑结构的缺陷等等这些特异的现象可以把粒子加速到这一能量。但是，在现有的宇宙射线探测器中还没有发现与它们有关的迹象。 宇宙射线之谜 高能中微子可以帮助解决超高能宇宙射线的起源之谜。天文学家怀疑超高能宇宙线可能是被γ射线暴或者超大质量黑洞产生的物质喷流加速到高能量的。 当它们和大爆炸光子发生碰撞的时候会快速地损失能量。因此，来自1.5亿光年之外的宇宙线在到达地球之前就会“消散”。 但极少发生碰撞的中微子可以超越这一极限揭示出宇宙线是如何产生的。由于它们不带电，中微子运动轨迹不会受到宇宙中磁场的干扰。这一属性可以让天文学家回溯中微子的发源地。它们会告诉我们宇宙中从大爆炸至今最高能加速器的有关信息。 南极冰原 除了月球以外，科学家还把目光放到了南极冰盖上。与之有关的实验也是搜寻由超高能中微子撞击产生的射电信号。但是在冰层中这些信号相比在月壤中可以传播更远，也更强。不过这一实验每次运行只能持续几周，而射电望远镜则可以很容易地长年监测月亮。 而且即使目前月球实验没有发现中微子，科学家希望他们为此研发出的技术会为将来为更大、更灵敏的射电望远镜阵列——例如，一平方千米天线阵——奠定基础。虽然这个领域存在竞争，但无论是谁第一个捕捉到了这些超高能中微子都将为天文学翻开全新的一页。 （本文已刊载于《世界科学》2010年第5期） [New Scientist 2009年8月5日] <div style="margin-bottom:10px"><div class="bshare-custom icon-medium"><a title="分享到新浪微博" class="bshare-sinaminiblog"></a><a title="分享到人人网" class="bshare-renren"></a><a title="分享到豆瓣" class="bshare-douban" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到腾讯微博" class="bshare-qqmb" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到开心网" class="bshare-kaixin001" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到QQ空间" class="bshare-qzone" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到网易微博" class="bshare-neteasemb" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到Facebook" class="bshare-facebook" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到Twitter" class="bshare-twitter" href="javascript:void(0);"></a><a title="分享到Google+" class="bshare-gplus" href="javascript:void(0);"></a><a title="更多平台" class="bshare-more bshare-more-icon 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科学123

2013年1月10日星期四

用月球探测中微子

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