巨型中微子望远镜为超高能宇宙打开窗口

长期寻求的，难以捉摸的超高能中微子(像幽灵般的粒子在宇宙尺度范围内传播)是了解宇宙中最高能量的关键。检测它们具有挑战性，但是下一代中微子检测器-中微子检测巨型无线电阵列(GRAND)被设计用来找到它们。

几十年来的一个谜：最有活力的粒子从何而来?

在过去的五十年里，天体物理学中一个主要的开放性问题是我们所知道的最有能量的粒子，即超高能宇宙射线(UHECR)的起源。这些是外星起源的带电粒子(质子和原子核)。它们的能量比大型强子对撞机高出数百万倍。

能量最高的UHECR具有1019eV或更高的能量。这是关于由专业运动员踢出的足球(足球)的动能，集中在原子核的大小上。UHECR可能是由强大的宇宙加速器(如活跃的超大质量黑洞和超新星)制造的，它们位于银河系之外，距离可观测到的宇宙只有几千兆帕(109帕秒〜1013公里)。但是，尽管我们做出了努力，但到目前为止，尚未发现任何单独的宇宙射线源。

原因有两个。首先，因为宇宙射线是带电的，所以它们被星际空间和银河内部存在的磁场弯曲。结果，它们到达地球的方向不会指向其起源。其次，UHECR在前往地球的过程中，会随机与渗透到宇宙中的宇宙光子场相互作用，尤其是在宇宙微波背景下。在相互作用中，UHECR要么被完全摧毁(因此永远不会到达地球)，要么会损失大量能量，这进一步加剧了它们的磁性弯曲。

幸运的是，相同的相互作用也产生了副产物超高能中微子。我们可以将其用作查找UHECR的来源和属性的代理。

超高能中微子

中微子是具有独特性质的基本粒子：它们是轻质的，电中性的，几乎不与物质或光子相互作用。这使得很难检测到它们。但这也意味着，与宇宙射线不同，超高能中微子不会受到磁场的弯曲，也不会在与宇宙光子相互作用时被破坏或失去能量。因为宇宙对它们并不透明，所以即使在最高能量下，它们也能够从最远的地方到达地球。

中微子继承了其母体UHECR能量的约5%。因此，大约2019eV(10 EeV，其中1 EeV = 1018eV)的中微子是由能量高20倍的UHECR产生的，除非到达附近，否则它们不会到达地球，因此，通过研究EeV中微子，我们在观测到的宇宙射线能谱的最末端间接地研究200 EeV宇宙射线。由于这些宇宙射线不太可能到达地球，因此中微子是研究它们及其来源的唯一可行方法。

UHECR与宇宙微波背景在到达地球途中的相互作用中产生的超高能中微子称为宇宙发生中微子(见图1)。它们的能谱编码有关其父UHECR的信息，特别是它们的能量分布质量组成以及它们达到的最大能量。宇宙中微子还携带有关UHECR源总数的信息(其数量密度和距离)，可帮助缩小候选UHECR源类别的范围。除了宇宙中微子外，超高能中微子也可以通过UHECR源内部的相互作用而产生。这些中微子不同于宇宙产生的中微子，当它们在地球上被发现时，它们会指向各个来源，因此它们能够揭示各个UHECR来源。

GRAND检测原理来源：中国科学出版社

然而，到目前为止，超高能中微子还没有被发现。近年来，很明显，它们的通量很低，以至于需要发现和研究它们的大型中微子探测器(比现有的中微子探测器大)。GRAND就是这样一种检测器，并且专门为应对这一挑战而设计。

巨人：一个雄心勃勃的下一代超高能天文台

GRAND是一款雄心勃勃的下一代大型中微子探测器，即使通量很低，也可以发现超高能中微子。它将通过使用广泛的无线电天线阵列来检测由在地球大气中相互作用的超高能中微子产生的独特无线电信号来实现这一目标。

中微子通常会与物质发生微弱的相互作用，并能够在不停止的情况下穿越地球。但是，中微子与物质相互作用的可能性随其能量的增长而增加。因此，到达地球的超高能中微子有很大的机会与地球内部的地下相互作用。

当三种已知类型的中微子之一“ tau中微子”在地下相互作用时，它会产生一个寿命短的粒子“ tau轻子”并进入大气。它在那里衰减并产生大量新粒子，其中包括数十亿个电子和正电子，它们在地球磁场的影响下发出MHz频率范围内的脉冲无线电信号。可以使用在50-200 MHz范围内敏感的相当简单的天线来检测此信号。这就是GRAND的检测原理;如图2所示。

因为超高能中微子的预期通量很低，所以我们需要一个巨大的探测器来增加探测的机会。因此，GRAND的天线设计总面积为200,000 km2，是世界上最大的无线电阵列。此外，GRAND将对超高能宇宙射线和伽马射线产生的类似无线电信号敏感，使其成为通用的超高能天文台，而不仅仅是中微子探测器。

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