IceCube中微子探测器与宇宙线天体物理学

(本文不算是一篇科学论文,而是对一个科学项目的简单综述,对象是在天文仪器里可能最为独特的南极中微子探测装置 IceCube;虽然我对粒子物理和粒子天体物理的了解程度都限于科普书程度,不过Particle Astrophysics也越来越引起天文学家和物理学家的共同重视,我们的文章中,对于高能天体物理和粒子天体物理部分的介绍又比较缺乏,只好由我来接着扔砖头了,希望专业人士多多斧正)

标题:Cosmic-ray physics with IceCube

  • 作者:Thomas K. Gaisser for the IceCube Collaboration
  • 论文索引:astro-ph:1107.1690
  • 编辑供稿: 黄崧 (南京大学)

    IceCube 是位于南极阿蒙森-斯科特站冰盖以下的三维大气簇射阵列,由美德等10国共同建设维护,主要目标用来探测地外高能中微子源,为理解高能宇宙射线打开一扇新的窗口。近期IceCube完成了建设工作并开始产生科学数据,本文对IceCube做了一个简要的介绍,并着重于对宇宙线能谱和组成的理解上面的贡献,关于IceCube的基本信息,可以参考这个图文并茂的报告和我们延伸阅读中给出的IceCube网站连接。不过在介绍IceCube之前,先来简单的了解以下什么是中微子天体物理和他的发展历史。


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    Fig.1: 美轮美奂的IceCube水下探测器 (科学想象图)

    科学背景:

    中微子天文学:

    中微子 (台湾似乎翻译做微中子),这种最早来自于Pauli理论预言的粒子在1956年被第一次观测到,从此之后,物理学家和天文学家很快就联想到可以用中微子进行天体物理的探测;这种中性,只参与弱相互作用,静止质量几乎为零的微小粒子和其他探测手段想必有着很多独特的优势,比如不会受到吸收,不会因为磁场作用而发生偏转,可以指示一些极端的天体物理过程等等,但正因为这些有事,对其的探测也变得极其艰难,可能所有学过天文的同学都会知道我们身边最大的中微子源就是我们的太阳 (10^{38}/s),很多书都会用每秒中都会有无数的中微子穿过我们身体但我们毫无察觉来举例说明(10^{15}/s),不过中微子天体物理,还是从太阳上发端的,作为恒星内部产能理论和恒星结构模型的重要检验,中微子的作用从上个世纪的60年代就被意识到了,在太阳内部核心产能区发出的光子,要经过无数的被吸收-再发射过程才能从太阳表面发出,被我们观测到,而中微子则丝毫不受这些作用的影响,源源不断的从产能区流出。

    此外,在大质量恒星演化晚期,中微子可能也发挥着重要的作用,比如通过中微子流带走大量能量;以及通过和铁核的相互作用影响超新星爆发机制等等。除了超新星,像GRB和AGN中心超大质量黑洞产生的喷流这样的高能辐射源都是中微子辐射源;在中微子能谱的低能段,主要的贡献来自大爆炸产生的中微子,或者可以成为宇宙中微子背景;而在最高能段,可能的中微子来自高能过程加速的宇宙线粒子与宇宙微波背景辐射光子的相互作用,根据计算,在一定能量以上,这种相互作用可以对宇宙线流量产生显著的吸收,在宇宙线能谱上形成Greissen–Zatsepin–Kuzmin (GZK)截断,这个效应的一个副作用就是河外起源的高能宇宙线在微波背景中的平均自由程只有75Mpc (当然,GZK截断的存在与否以及如何解释还有很多争论,这里只是援引一般的说法),因此,次级中微子可能就成为了探测遥远天体高能宇宙线的唯一途径。图2中给出了结合观测和理论预测的中微子能谱,其中,红色和蓝色的数据点标注出了两个不同的实验给出的大气中微子能谱,这些大气中微子是地面中微子探测的最强背景,当然,其随能量的下降也是比较快的。


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    Fig.2: 宇宙中微子能谱

    早期中微子天体物理探测:

    60年代晚期,Raymond Davis利用在废弃金矿中建立的Homestake探测器,第一次探测到了来自太阳的中微子流,不过也揭示出了太阳中微子疑难,即观测流量与理论预测的巨大差别;John Bachall在60-70年代提出了用中微子震荡解释这个疑难的理论,即假定中微子存在三种不同的类型 (\nu_{e}, \nu_{\mu}, \nu_{\tau}),而太阳产生的电子中微子在传播过程中转化为了暂时不能被探测到的其他两种中微子。1998年,最初被设计用来探测质子衰变的神冈探测器在90年代升级为超级神冈,并成功的探测到了中微子震荡的证据。2001年,加拿大的SNO(Sudbury Neutrino Observatory)发表的结果更是探测到了来自太阳的三种中微子,并指出考虑到中微子震荡后,观测和理论很好的符合起来 (参考这篇2001年,已经被引用了1000多次的悍文),转过来年,超级神冈的结果也进一步证实了SNO的观测,从而基本上解决了太阳中微子疑难,Raymond Davies和小柴昌俊在2002年也被授予了诺贝尔物理学奖 (关于这段故事有无数的文章可以参考,这里就不细说了)。

    除了来自太阳中微子,1987年,大麦云中的SN1987A超新星爆发更是提供了一个独特的中微子探测机会,结果Homestake和神冈探测器非常给力的探测到了19个来自这个超新星爆发的中微子事件,这个探测也是中微子天体物理研究中的一次重大的成功,不仅第一次探测到了银河系外起源 (好吧,其实也是很近的)的中微子,而且也证明了我们恒星演化模型中描述恒星死亡时的核物理过程至少在一定程度上可以说是正确的。

    除了这两个对中微子天体物理发展做出重大贡献的项目之外,从60年代起还有一系列的中微子探测项目,而且,天体物理学家意识到,探测中微子最好的方法,是利用在介质中产生的Cherenkov辐射,通过光电效应来进行探测,对于这种方法,水和冰都是比较好的介质,而且有大量的天然存在;不过使用这样的方法,需要依赖的大规模的探测器阵列,1平方公里,甚至,1立方公里尺度的探测器才是最好的选择;科学家们为了在Hawai’i附近海域建设 Deep Underwater Muon and Neutrino Detector (DUMAND) 的努力最终以失败告终,但其过程确为设计这样的项目奠定了科学和技术的基础,此后,俄罗斯在贝加尔湖,欧洲科学家在地中海中都进行了类似的尝试;2000年到2009年,第一个和DUMAND尺度相近的中微子探测器 Antarctic Muon and Neutrino Detector Array (AMANDA) 在南极以下冰层中完成了建设,很好的证明了这样设计的成功之处,并最终进化为了本文介绍的IceCube探测器。


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    Fig.3: IceCube整体结构示意图

    IceCube项目:

    图3展示了从冰面上方视角看到的IceCube全貌,其中以分布在冰面上的1平方公里的探测器 (81个站点,324个探测器) 组成的IceTop部分;在冰面下方,是由一系列“绳索”悬吊着的一系列探测器,这些探测器在冰面以下1.45到2.45公里处组成的1立方公里的探测器阵列 (IceCube Array),一共有86条“绳索” (抱歉,我真不知道这个的正式名称是啥),每条上面有60个光学探测器 (称为DOM:digital optical modules,数字化光学模块,见图5);其中还有被称为DeepCore的8条“绳索”上面的480个专门为探测低能量中微子优化的探测器子阵列。图4,展示了IceCube探测器阵列牛逼的尺度,图6,给我们展示了冰面上的IceCube站点。


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    Fig.4: IceCube探测器的水下深度与地面主要高层地标建筑尺度对比


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    Fig.5: IceCube单个DOM探测器的构成示意图


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    Fig.6: 位于南极阿蒙森-斯科特站的IceCube探测器站点

    设计一架真正意义上的中微子望远镜是很困难的事情,首先,前面提到过的,即便对于最高能量的中微子,其与探测器的作用概率也是很小很小的;此外,还要想法克服大气中产生的中微子背景;作为一架望远镜,还需要有一定的空间和时间上面的分辨率;考虑到三种不同的中微子类型,探测器应该能够做出区分。。。等等等等,不过IceCube对这些问题都做出了考虑。

    IceCube也是利用由中微子相互作用产生的带电粒子的Cherenkov辐射进行探测 (作为参考,IceCube所在的南极冰水中光速约为真空中光速的75%),说来简单,但其实情况很复杂;一个高能中微子和IceCube探测器附近冰中的一个粒子发生相互作用,如果这个粒子是带电粒子的话,相互作用会产生一个携带了 50-80% 的中微子能量的轻子:\mu介子 (muon),电子或者是\tau粒子 (取决于中微子的种类),而且,这个轻子的前进方向与作用前的中微子前进方向相同,剩下的能量则传播到作用粒子上,产生重子簇射 (Hadronic Shower),高能量的轻子和重子簇射过程都可以产生Cherenkov辐射;如果作用的粒子是中性粒子,则中微子只会把一部分能量传播到作用粒子上,产生重子簇射;两种相互作用产生的Cherenkov辐射的“模式”是不同的,在中微子探测中,前面一种称为“Track”,后面一种称为“Cascade” (参看图7);IceCube对 \mu介子更为敏感,因为其穿透能力最强,可以在探测器阵列中产生最长的轨迹;而电子在被散射几次后就会将自身能量随时到产生Cherenkov辐射的能量极限一下,\tau粒子则非常短命,会很快的衰变,因此,对于这两种粒子,仅仅能探测到重子簇射产生的“Cascade”模式的辐射;综上所述,对于和带电粒子作用的{\nu}_{\mu},可以探测到Track模式的Cherenkov辐射,对于{\nu}_{\it e}, {\nu}_{\tau} 以及所有的和中性粒子相互作用的中微子,则只能探测到Cascade模式的辐射。


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    Fig.7:两种不同的中微子相互作用产生的Cherenkov辐射不同模式的示意图,其中左侧为Track,右侧为Cascade

    上面介绍的两种不同的模式主要对应于低能中微子,在高能段还会出现被称为 Double Bang的两次cascade的模式,不过这里主要想说明的就是,正因为这种不同的模式,IceCube可以把不同类型的中微子的相互作用区分开来 (在中微子探测中称为flavor identification,“味道“识别);这些模式在中微子探测,确定能量,方向,筛选大气中微子背景上有各自的优缺点:

    对于,{\nu}_{\mu} 产生的Track模式可以很长,在高能端甚至可以达到10km以上,超过IceCube探测器的尺度,IceCube可以很好的把入射方向确定下来,甚至做到1度左右的空间分辨,因而可以绘制出天空中中微子”Hot Spot”的分布,和宇宙线探测(比如PAO的观测)甚至其他波段的观测进行交叉,对确定潜在的宇宙中微子源,比如AGN和GRB非常关键,不过相应的缺点是大气辐射产生的\mu中微子背景非常高 (是宇宙中微子辐射的百万倍),只能够通过观测来自地球远端的中微子进行筛选;而且由于整个中微子相互作用事件没有被探测器完全的覆盖住,中微子的能量不好准确的确定下来。

    对于另外两种中微子,相应的优点正好弥补了前面提到的不足,这两种中微子的大气背景会小很多很多,而且因为只能探测到Cascade模式的辐射,整个事件都能被包括在探测器范围内,中微子能量可以更加准确的确定下来;对这两种中微子可以同时做北天和南天的探测,(对于\mu}子中微子,只有在高能端,即大气中微子背景下降很多的地方才是如此)。虽然产生的Cascade模式的辐射近似于``点源'',但其实辐射依然是倾向于集中在Cherenkov角度以内的 (对于冰,这个角度是41度),原则上,是可以在30度的精度内定出中微子的入射方向,虽然不足以做空间分辨,但确定"Upward"还是"Downward"也是够了的。   <div id="fig8" class="wp-caption aligncenter" style="width:480px;"> <a href="http://astroleaks.lamost.org/wp-content/uploads/2011/07/2011_07_11_huang_6.png"> <img class="size-medium wp-image-2901 " title="CII-FIR" src="http://astroleaks.lamost.org/wp-content/uploads/2011/07/2011_07_11_huang_6.png" alt="fig1" width="460" height="440" /></a> Fig.8: IceCube对不同方向,不同来源的latex \mu中微子探测的示意图 </div>   受限于篇幅 (更主要的是我的粒子天体物理知识。。。),我们只能简单的介绍一下基本的探测原理和IceCube的结构,整个探测器现在已经基本的完成了安装,已经开始运行,在未来,有望在高能中微子点源探测,与GRB成协的中微子辐射,暗物质间接探测(利用暗物质湮灭),中微子震荡的进一步探测,银河系超新星早期预警 (Supernova Early Warning System),甚至是弦论的实验验证上面做出自己的贡献,对于这些具体的内容,还请大家参考我们的延伸阅读。在已经运行的时间内,IceCube已经进行了各种校准观测,给出了全天高能中微子源候选的概率分布 (相对于大气中微子背景多7次以上事件的位置),还发现了可能的宇宙线起源的latex \mu$介子南天分布的非各向同性的迹象等等,总之,非常值得期待。


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    Fig.9: IceCube探测到的全天高能中微子点源的概率分布

    延伸阅读:

  • 1. IceCube自己的2010年工作总结
  • 2. IceCube网站上提供的关于这个项目的“Fun Fact”,挺好玩的
  • 3. Noble物理学奖获得者George Smoot自己科研组主页上关于中微子天体物理的介绍
  • 4. Haxton关于中微子天体物理的介绍层次文章
  • 5. 层次相对深一些的中微子天体物理讲义
  • 6. 2003年核天体物理会议上关于中微子天体物理的介绍性报告,很推荐!!
  • 7. UPenn的Peter Mészáros组关于中微子天体物理的介绍
  • 8. 火流星电子杂志上关于中微子天体物理的介绍,推荐
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    12 Replies to “IceCube中微子探测器与宇宙线天体物理学”

    1. Xing Lu

      Chromium 12.0.742.112 Linux

      赞!不过最后一句是不是应该是“发现了可能的µ子南天分布…”,南天的µ子中微子大气背景太高看不到各向异性的吧

      • NGC2264

        Chromium 11.0.696.71 Linux

        但是确实看到了,而且其中一个相对高辐射的区域还对应了vela超新星遗迹(印象是这样),不过因为据说监测n年,强度值都不一样,Ice Cube还在继续考虑各种可能仪器和大气带来的影响,不敢下定论,要真是vela的u子就牛B了

        • Xing Lu

          Chromium 12.0.742.112 Linux

          我理解是原本icecube是接受中微子在冰层中产生的µ子,而宇宙线在大气里撞出的µ子是‘背景’,所以南天难以观测中微子分布,这里是倒过来观测‘背景’的µ子来确定宇宙线方位,找宇宙射线的各向异性。照片还没发,不过有可爱金发小正太哦~

        • 明月稀星

          Chrome 12.0.742.112 Windows 7

          确实很有爱啊。不过加个引号比较好点吧~
          另,微中子的说法,我们大陆早先的翻译也用,是因为中微子的历史上曾经跟中子的命名冲突,但是又都是中性,由于中微子质量小得多,所以就说是微小的中子了,但是后来可能大家觉得这两家伙没啥共同的,就只是一个中性的共同点,然后就改名成为中性的微小粒子了……我猜的……
          anyway,中微子更好些~

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