中微子天文望远镜

超大型的探测装置

中微子望远镜是一种可以测量那些来自宇宙深处、数量相当稀少的超高能中微子，并确定它们所对应的天体源方位的超大型的探测装置。

中微子

中微子天文学是天体物理的一个分支，主要研究恒星上可能发生的中微子过程以及这些过程对恒星的结构和演化的作用。中微子是不带电的静止质量为零或很小的基本粒子。它和一般物质的相互作用非常弱，除特殊情况外，在恒星内部产生的中微子能够不受阻碍地跑出恒星表面，因此探测来自恒星内部的中微子可以获得有关其内部的信息。

最早的研究集中在太阳。太阳的能源主要来自内部的质子-质子反应，因而会产生大量的中微子。美国布鲁克海文实验室的戴维斯等人用大体积四氯化碳作靶，利用37Cl俘获中微子的反应来探测太阳的中微子发射率。实测的结果远远小于恒星演化理论的太阳标准模型的预期值，这就是著名的中微子失踪案。近年来人们发现原来使用的恒星大气中元素的不透明度太小，改进后已有所改善。进一步日震研究改进了太阳内部结构，从而大大地缓和了这个矛盾。另一个可能是中微子有很小的静质量。果如此则可以解释宇宙中的质量短缺问题。

中微子还大量地产生于超新星爆发时和宇宙中其它物理过程中。在日本的一个矿井和美国的俄亥俄用一个巨大的水容器来探测切连可夫辐射，从而探测到了来自超新星SN 1987A的中微子辐射。欧洲共同体的GALLEX和俄国的一个装置利用中微子和镓的相互作用来探测中微子。

探测原理

我们以IceCube的探测器为例解释一下中微子望远镜是如何探测中微子事例的。IceCube实验利用了南极冰层下大范围的纯净透明的自然冰作为探测器的载体，依照一定的间距布置了大量光学感应器，用以观测超高能中微子进入探测器后与组成冰的原子所发生的反应。如果一个m中微子撞击到冰原子上，将会有一个带电的m子通过弱相互作用而产生出来。在极度透明的冰中，m子在行进过程中会发出可见的蓝光，从而被光学感应器记录下来。由于从m子的路径可以反推出m中微子的入射方向，科学家们进而就会判断出m中微子究竟来自哪个遥远的天体源。简而言之，中微子望远镜的探测原理就是通过探测光信号来重建带电轻子的径迹，从而推断出相应的超高能中微子从何而来、能量大小和它们所携带的其他物理信息。

基本要求

一个高能中微子望远镜必须满足下面的要求：

首先，它要足够庞大，从而使得来自银河系内外的稀有中微子在经过望远镜时可以被有效地探测；

其次，它要足够透明，以便于观察中微子与探测器的物质发生相互作用后所产生的光线在三维分布的光学传感器阵列中的传播径迹；

第三，它要足够黑暗，以避免自然光的干扰；

第四，它要足够深，最好安置在地表下几公里的深处，以屏蔽来自宇宙线的污染；

最后，它要足够经济，这样它才能在科学预算允许的范围内被建造出来。

发展现状

由于探测技术的提高，人们可以观测到来自天体的中微子，导致了一种新的天文观测手段的产生。中微子望远镜可以建在冰层的深处或者黑暗的海底和湖底。世界上建在水中的中微子望远镜包括BAIKAL（贝加尔湖）、ANTARES、NEMO和NESTOR（地中海），建在冰下的中微子望远镜则有AMANDA和更大的IceCube（南极）。IceCube探测器是一个立方公里的庞然大物，置于南极冰层下一千四百公里至两千四百公里之处，可以测量来自最遥远天体源的超高能中微子。

美国正在南极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微子，可以用来研究地球构造。

中国

2007年初，中国科学院高能物理研究所研制的第一台超高能中微子望远镜在西藏羊八井调试成功，研究人员于4月再赴羊八井，在5月观测期到来之前完成了第二台望远镜的系统调试任务，望远镜如期投入试运行。

获悉，该所研制的第二台超高能中微子望远镜样机日前在西藏羊八井投入试运行，并获得了第一批宇宙线事例。与此同时，研究人员还在北京实现了第二台望远镜的全遥控试运行，成功实现了与中意合作ARGO全覆盖地面探测器的联合观测。截至2007年5月23日凌晨，这台望远镜已观测到50多个宇宙线事例。

高能所研究人员表示，超高能中微子望远镜研制的成功，标志着中国具备了实施超高能中微子探测这一探索性研究的技术和人员条件，为超高能中微子探测研究的正式立项奠定了坚实的基础。

2019年4月27日，在“国际合作项目GRAND(大型中微子探测阵列)理论研讨会”上获悉，中国首个中微子望远镜将落户青海海西。

欧盟

欧盟正打造它的太空“鹦鹉螺号”——KM3中微子天文望远镜，它将安装在地中海一立方公里的海水中。

儒勒·凡尔纳的科幻小说《海底两万里》讲述了尼莫（拉丁语为“无此人”的意思）船长和他的“鹦鹉螺号”潜水艇的历险故事；中微子则是我们所能知的最接近“无物质”的最小粒子，它也是一种黑暗的物质。小说中的“鹦鹉螺号”被用来探索海底世界，中微子也可以被用来观测太空中那些遥不可及的天体。欧盟正打造它的太空“鹦鹉螺号”——KM3中微子天文望远镜，它将安装在地中海一立方公里的海水中。

欧洲KM3计划的负责人之一，英国谢菲尔德大学的李·汤普森博士说：“利用中微子观察宇宙是一种全新的技术。中微子不会被其他物质吸收，也不会被其他东西反射。中微子可以穿过我们的身体，也可以穿过地球，但它们本身丝毫不受到影响。中微子不带电荷，它们的运动路线也不会因其他电磁场而弯曲。所以，一旦发现中微子，并判断出它的运动方向，我们就可以发现它在宇宙中的来源。”

由于完全不受其他物质的影响，中微子可以提供关于宇宙的最可靠信息。但要捕捉它，你必须有一个巨大的探测器。为了让KM3正常工作，大量的传感器要被放置在地中海海底的一个巨大水体之内，这样它们才能捕捉任何偶然经过的中微子轨迹。

在小说中，“鹦鹉螺号”在航行中需要防御大型甲壳动物的攻击。在海底工作的KM3也有自己的麻烦。它需要被安放在一个没有过多海底生物的地方，因为这些在黑暗中大量繁殖的海底生物会自己发光，从而干扰感应器对中微子光的捕捉。

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