超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的高能中微子探測(cè)及巨型中微子射電探測(cè)陣列的選址?

朱春花，翟楠楠，沈冬祥，呂國(guó)梁，王兆軍，李琳，劉荷蕾，Olivier Martineau-Huynh ，Charles Timmermans

(1.新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊830046；2.索邦大學(xué)、巴黎狄德羅大學(xué)、巴黎索邦西岱大學(xué)，法國(guó)；3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，北京100012；4.奈梅亨大學(xué)數(shù)學(xué)、天體物理與粒子物理研究所，荷蘭；5.荷蘭國(guó)家核物理與高能物理研究所，荷蘭)

中微子具有不參與電磁相互作用、強(qiáng)相互作用的特性，在傳播過(guò)程中幾乎不改變傳播方向，軌跡直指起源地[1].2013年，南極Icecube中微子實(shí)驗(yàn)在《Science》發(fā)表，聲稱已經(jīng)觀測(cè)到地外高能中微子，這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著中微子天文學(xué)時(shí)代的到來(lái)[2].去年，Icecube又發(fā)現(xiàn)高能中微子就可能起源于正在吸積物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞[3].特別是最近，視界望遠(yuǎn)鏡給出了一座質(zhì)量高達(dá)65億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞照片[4].對(duì)高能中微子的探測(cè)是解決超高能宇宙射線起源問(wèn)題的重要手段.由于其特性，天文學(xué)家可以通過(guò)對(duì)它的觀測(cè)了解宇宙中更遠(yuǎn)的天體.這種特性也導(dǎo)致人們對(duì)它的探測(cè)十分困難，為得到統(tǒng)計(jì)上可觀的宇宙中微子事件需要巨大的探測(cè)器.目前對(duì)中微子的探測(cè)主要分為三種方法[5,6]：(1)使用表面粒子探測(cè)器.由于高能中微子在傳播過(guò)程中與周圍的分子或原子之間弱的相互作用，引發(fā)粒子級(jí)聯(lián)效應(yīng)，粒子數(shù)量增多，可以通過(guò)探測(cè)大氣中粒子的分布來(lái)確定初期粒子的到達(dá)方向，例如TA(The Telescopes Array)、HAWC(The High-Altiude Water Cherenkov)等.然而，由于粒子探測(cè)器造價(jià)昂貴限制了有效探測(cè)面積；(2）使用光學(xué)探測(cè)器.中微子在相對(duì)透明的介質(zhì)中相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生Cherenkov光或熒光效應(yīng)，可以通過(guò)在介質(zhì)（例如水，冰等）中部署相關(guān)的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)這些事件，例如POEMMA(The Probe Of Multi-Messenger Astrophysics)、AMANDA(Muon and Neutrino Detector Array)等，在大氣中使用光學(xué)探測(cè)器，會(huì)受天氣和光照的嚴(yán)重影響，因此運(yùn)行時(shí)間受限，而建立在冰層、水中的探測(cè)器陣列，加大了大面積部署的難度；(3)使用射電陣列.當(dāng)粒子速度超過(guò)介質(zhì)中光的相速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的帶電粒子分布，進(jìn)而產(chǎn)生相干的射電輻射，即Cherenkov 輻射，而且宇宙次級(jí)帶電粒子在地磁場(chǎng)中產(chǎn)生同步輻射，這種輻射波段在射電波段[7]，可以使用射電技術(shù)探測(cè).與傳統(tǒng)的探測(cè)手段比較，具有價(jià)格便宜、易于大面積部署、易維護(hù)、接近100%的觀測(cè)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，例如在南極冰層中部署的IceCube探測(cè)器、以及正在建設(shè)中的巨型中微子探測(cè)射電陣列GRAND(The Giant Radio Array for Neutrino Detection）.

GRAND旨在通過(guò)探測(cè)高能中微子尋找超高能宇宙射線的起源[8]，采用模塊式安裝，易于維護(hù)，可大面積的部署，使用山體當(dāng)做自然靶標(biāo)提高探測(cè)高能中微子事件效率，其預(yù)期靈敏度將比IceCude 要高一個(gè)量級(jí)，甚至更好.GRAND 計(jì)劃在10～15年的時(shí)間在200 000 km2的面積上，部署100 000 根天線，GRAND的建成將成為世界上最大的宇宙中微子探測(cè)器.GRAND 科學(xué)目標(biāo)分為三個(gè)階段：第一階段進(jìn)行快速射電爆、巨型射電脈沖，再電離時(shí)代的研究；第二階段進(jìn)行超高能宇宙射線的研究工作；第三階段開啟EeV中微子天文學(xué)、中微子物理學(xué)、超高能伽馬射線研究.加速探測(cè)高能中微子領(lǐng)域的快速發(fā)展[9]，在國(guó)內(nèi)該項(xiàng)目由武向平院士作為帶頭人，多所科研機(jī)構(gòu)參與，共同推進(jìn)該項(xiàng)目的設(shè)備部署和后續(xù)工作的開展.

1 GRAND高能中微子探測(cè)原理

當(dāng)高能帶電粒子、伽馬射線或中微子到達(dá)地球時(shí)，與大氣中的原子或分子相互作用產(chǎn)生次級(jí)粒子.次級(jí)粒子再與周邊大氣作用，產(chǎn)生更多二級(jí)的粒子，以此連續(xù)下去產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)，誘發(fā)廣延大氣簇射[10].宇宙射線的直接探測(cè)手段，使用天線陣列直接接收粒子在進(jìn)入大氣后產(chǎn)生的射電輻射.第一種射電輻射來(lái)自于其本身帶有電荷，在地磁場(chǎng)的影響下，運(yùn)動(dòng)粒子的簇射前端正負(fù)離子發(fā)生分離，誘發(fā)橫向電流，伴有線偏特性的射電輻射[8].該方法不受天氣和天光條件的影響，具有較長(zhǎng)的有效觀測(cè)時(shí)間.第二種伴隨大氣簇射發(fā)出的射電輻射機(jī)制是切倫科夫輻射的低頻對(duì)應(yīng)—Askaryan效應(yīng)—粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)光的相速度時(shí)誘發(fā)次級(jí)帶電粒子，引發(fā)電荷過(guò)剩，電荷隨時(shí)間的變化引發(fā)射電輻射.在大氣中由于ASkaryan效應(yīng)比地磁場(chǎng)中的輻射弱數(shù)倍，所以在此過(guò)程中地磁輻射占據(jù)主導(dǎo)地位.

GRAND項(xiàng)目通過(guò)探測(cè)高能中微子在地下相互作用和在大氣中相互作用產(chǎn)生的廣延簇射事件.在地下稠密的巖石介質(zhì)增加了中微子在其中發(fā)生相互作用的機(jī)會(huì)，GeV能級(jí)以上的中微子與核子相互作用，通過(guò)深度非彈性散射[11,12].在電性流相互作用中，中微子與核子相互作用，吸收一個(gè)W 玻色子轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的帶電輕子，而末態(tài)的輕子類型與相互作用前一致，W 玻色子迅速衰變，即:

其中N可以是質(zhì)子或原子，X代表末態(tài)的強(qiáng)子.在中性流相互作用中，中子與核子相互作用，吸收一個(gè)Z玻色子轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的中微子，而末態(tài)的中微子與相互作用前一致，因此無(wú)法區(qū)分，即：

由于中微子ve發(fā)生電流性相互作用，能量損失通過(guò)輻射的方式釋放，在巖石介質(zhì)中的相互作用輻射截面積小，大多數(shù)在內(nèi)部被吸收.因此探測(cè)到的概率較低，所以忽略對(duì)ve探測(cè)的可能性；中微子vμ發(fā)生電流性相互作用，從巖石表面出射后有較長(zhǎng)的軌跡，在天線陣列上端發(fā)生簇射的概率低，所以其被探測(cè)到的可能性忽略不計(jì)；中微子vτ質(zhì)量比vμ和ve的質(zhì)量大，發(fā)生電流性相互作用輻射能量衰減被進(jìn)一步抵制，當(dāng)vτ穿過(guò)巖石介質(zhì)之后由相互作用產(chǎn)生τ子，τ子會(huì)在天線陣列上方發(fā)生衰變誘發(fā)廣延大氣簇射，并產(chǎn)生在射電頻段內(nèi)的信號(hào).

因此在GRAND的部署和選址工作中，主要目標(biāo)位置集中在有山脈的無(wú)人地區(qū)，山體不僅可以增加高能中微子的探測(cè)事件概率，還可以屏蔽和吸收由人為造成電磁噪聲.

圖1 不同味中微子的傳播示意圖Fig 1 Schematic diagram of the propagation of different neutrinos

2 選址探測(cè)

在選址探測(cè)過(guò)程中使用GRANDProto35天線，其前期已在烏拉斯臺(tái)試運(yùn)行，驗(yàn)證了該方案的可行性，并取得較好的探測(cè)數(shù)據(jù).選址探測(cè)設(shè)備主要包含三對(duì)相互垂直的蝶形天線，可以對(duì)三個(gè)極化方向進(jìn)行全方位采樣；DAQ(數(shù)據(jù)采集），采集板初始信號(hào)段接有30～100MHZ的無(wú)源模擬濾波器，濾波后的信號(hào)通過(guò)閾值比較，若滿足觸發(fā)條件則將信號(hào)包絡(luò)通過(guò)12 位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）以每秒5 000 萬(wàn)次采樣數(shù)字化，每隔3×3.6μs 將GPS、時(shí)間信息一同打包發(fā)送到中央DAQ.

此次選址探測(cè)是為了推行GRAND階段中GRANDProto300的實(shí)施，該階段計(jì)劃在100～300km2的面積上部署300根天線，目的是對(duì)水平簇射的射電探測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.為解決由射電信號(hào)通過(guò)與地面反射波的相互作用強(qiáng)烈衰減帶來(lái)的水平方向簇射的檢測(cè)問(wèn)題，以及到達(dá)方向分辨率隨著靠近地平線而降低，導(dǎo)致信號(hào)難以重建的問(wèn)題，選擇將部分或全部部署在5～10o的山坡上.

選址探測(cè)步驟：(1)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)，查看周圍是否有大量人類活動(dòng)、高壓輸電線以及山體，評(píng)估訪問(wèn)和部署的便利性；(2)將天線X軸對(duì)向北方架設(shè)天線，測(cè)量30～80MHz頻段的瞬態(tài)噪聲；(3)數(shù)據(jù)處理畫出瞬態(tài)噪聲圖、Fourier變換后的頻譜圖.以下為在內(nèi)蒙古、巴里坤地區(qū)的探測(cè)情況，以及在1KHz、10KHz 基線時(shí)，將烏拉斯臺(tái)數(shù)據(jù)當(dāng)作理想數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)通過(guò)設(shè)置觸發(fā)閾值可以較好的消除一部分人為噪聲.

2.1 明安圖太陽(yáng)觀測(cè)基地

在內(nèi)蒙古明安圖太陽(yáng)觀測(cè)基地附近，海拔1 300～1 400m.有較為平緩的山坡，人為活動(dòng)較少，短距離內(nèi)有基礎(chǔ)的設(shè)施.在該地使用兩副天線進(jìn)行瞬態(tài)噪聲探測(cè)，處理數(shù)據(jù)結(jié)果如表1，相比較理想數(shù)據(jù)而言相差較大.在后面的探測(cè)過(guò)程中，推測(cè)是由于兩副天線距離較近產(chǎn)生的射頻干涉引起，具體數(shù)據(jù)見表1.

表1 明安圖太陽(yáng)觀測(cè)基地Tab 1 Mingantu observing station

表2 巴里坤山谷內(nèi)Tab 2 Within the vally of Balikun

2.2 巴里坤地區(qū)

在巴里坤地區(qū)的探測(cè)，主要可以分為在山谷內(nèi)、天籟基地附近、戈壁灘周邊三部分.巴里坤山谷被大山環(huán)繞，地形寬闊平坦，15km左右有個(gè)村莊，易于訪問(wèn)和部署.但山谷規(guī)模有限，缺乏可用的基礎(chǔ)設(shè)施.探測(cè)結(jié)果如表2，從山谷入口的小路旁開始探測(cè)，入口處B103A、B3133有較高的噪聲，在山谷內(nèi)部噪聲較低，當(dāng)?shù)竭_(dá)山谷末端時(shí)，海拔升高，B3131的噪聲也有所提高，具體數(shù)據(jù)見表2.

天籟觀測(cè)基地處于一個(gè)小的山谷中，有較為便利的基礎(chǔ)設(shè)施和方便的部署和訪問(wèn)條件，但是其面積太小，使用相同的方式，從山谷入口處開始探測(cè)直到山谷末端停止探測(cè).其中B3125、B3141幾乎在同一地點(diǎn)不同時(shí)間進(jìn)行探測(cè)的結(jié)果，其他測(cè)量結(jié)果，比山谷區(qū)域的結(jié)果稍好，噪聲較低.具體數(shù)據(jù)見表3.

在位置靠近大山的路邊上，其周圍有大面積的開闊區(qū)域，人為活動(dòng)較少，易于訪問(wèn)和部署.對(duì)比在路邊的兩次探測(cè)結(jié)果，在戈壁路邊的結(jié)果非常好，噪聲較低，具體數(shù)據(jù)見表4，其中B101、3134巴里坤山谷附近；B3111、103B、3110在巴里坤縣附近；B3143天籟基地附近；B3144、3146戈壁路旁.因此與大山相連接的戈壁也是值得GRAND項(xiàng)目考慮的部署區(qū)域.

3 探測(cè)分析

對(duì)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)B3122、B3111的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析（圖2、圖3）.

圖2 運(yùn)行編號(hào)B3122測(cè)試結(jié)果Fig 2 The result of run number B3122

圖中為三個(gè)極化方向各自的經(jīng)過(guò)傅里葉變換后頻譜圖和噪聲頻譜圖.其中，右側(cè)坐標(biāo)單位 1 ADC=0.0125mV，左側(cè)圖垂直軸單位為mV，圖上127 特指數(shù)據(jù)采集板的編號(hào)，三個(gè)探極化方向的數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)于C1、C2、C3.圖中所示從上往下分別為x軸，y軸，z軸三個(gè)極化方向的測(cè)量結(jié)果，左側(cè)為Fourier變換后頻譜圖，右側(cè)為對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)噪聲.由于主要考慮到從水平方向來(lái)的噪聲問(wèn)題，因此偏重于x軸和y軸的結(jié)果.對(duì)于B3122處的a、c、e 圖均在30MHz附近出現(xiàn)峰值，其中a、c 兩圖在其他頻率上有一些較小的起伏，而B3111處的探測(cè)數(shù)據(jù)在30～80MHz頻段內(nèi)存在強(qiáng)烈的干擾信號(hào)，尤其是在60MHz、70MHz處存在兩個(gè)尖銳的峰.b、d、f 圖中分別為對(duì)應(yīng)噪聲，B3122處探測(cè)結(jié)果顯示，趨勢(shì)線集中在300ADC 范圍內(nèi)，而B3111處，趨勢(shì)線變化不均勻，且一直延伸至最大值.在選址中觀測(cè)兩圖，頻譜圖越平緩、噪聲圖趨勢(shì)線越窄則證明探測(cè)點(diǎn)處沒(méi)有嘈雜的電磁噪聲，可以在較低的觸發(fā)閾值情況下進(jìn)行有效的探測(cè)，獲得更多有用的信息.

圖3 運(yùn)行編號(hào)B3111測(cè)試結(jié)果Fig 3 The result of run number B3111

表3 天籟觀測(cè)基地附近Tab 3 Near the Tianlai observing station

表4 路邊探測(cè)Tab 4 Roadside detection

4 總結(jié)

探測(cè)結(jié)果表明在內(nèi)蒙古探測(cè)過(guò)程中，兩根天線間距較近會(huì)嚴(yán)重影響探測(cè)結(jié)果.在新疆巴里坤地區(qū)探測(cè)結(jié)果顯示，在四周環(huán)山的區(qū)域電磁噪聲相對(duì)較小其大部分結(jié)果都符合選址要求.新疆地區(qū)具有優(yōu)越的地理位置，為GRAND的選址提供了優(yōu)質(zhì)的選項(xiàng).為GRAND 原型陣列的建造，進(jìn)一步對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，選址探測(cè)為GRANDProto300以及將來(lái)建造的射電探測(cè)陣列提供了依據(jù).GRAND 的建成將提供大的機(jī)遇，開啟高能中微子天文學(xué)潛力巨大的觀測(cè)窗口，使我國(guó)能在該領(lǐng)域快速發(fā)展，使該地區(qū)成為國(guó)際高能中微子研究的探測(cè)中心、學(xué)術(shù)中心.

致謝

感謝中國(guó)科學(xué)院院士武向平老師給予的幫助，使得我能夠有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)接觸到該項(xiàng)目，了解目前中微子探測(cè)的進(jìn)展，參與到選址探測(cè)的工作中來(lái).感謝國(guó)家自然科學(xué)基金11763007,11473024,11463005,11863005,11803026 和11503008的支持，也感謝新疆天山雪松基金2017Q014的支持.