manbet手机版作者:Per Olof Hulthmanbet手机版＊

manbet手机版简介

manbet手机版几千年来，人类通过观察迷人的夜空，在无数恒星和其他现象发出的可见光的指引下，研究宇宙。manbet手机版在上个世纪，科学家们利用肉眼看不到的不同波长的光，如无线电波、红外光、x射线和伽马射线，发现了新的夜空图片。manbet手机版每当天空的新窗口被打开，新的意想不到的现象就会被发现，比如大爆炸的微波背景、中子星、活动星系核(AGN)、黑洞、伽马射线暴(GRB)和其他令人兴奋的物体。manbet手机版今天，科学家们开始使用另一种基本粒子中微子，而不是用来研究宇宙的光的基本粒子光子，从而打开了一个全新的窗口。manbet手机版这个被称为中微子天文学的新领域有望揭示新的未知现象，并帮助我们回答今天的几个问题。

manbet手机版中微子

manbet手机版中微子是一种基本粒子，这是1930年由manbet手机版沃尔夫冈·泡利manbet手机版1945年诺贝尔物理学奖得主，为了解决核物理领域的能源危机。manbet手机版科学家们很难在放射性衰变中找到能量，泡利提出了一种粒子的存在，他认为这种粒子带走了丢失的能量。manbet手机版但中微子的发现却花了好几年时间。manbet手机版是克莱德·考恩和manbet手机版弗雷德里克·莱因斯manbet手机版他在1965年首次发现并识别了这种粒子。manbet手机版由于他的贡献，莱恩斯被授予1995年诺贝尔物理学奖。

manbet手机版中微子是一种不带电荷的模糊粒子，它只通过弱核力与物质相互作用。manbet手机版近年来，人们发现中微子的质量很小，推翻了早先认为它是无质量的假设。manbet手机版在太阳中，当四个氢原子转变为一个氦原子时，在聚变过程中会产生大量的中微子。manbet手机版尽管中微子数量众多，但在人的一生中，平均只有大约一个中微子会与人体发生作用。manbet手机版来自太阳的中微子在地球表面的通量是6×10^{manbet手机版10}manbet手机版每平方厘米每秒的中微子数。manbet手机版在太阳的聚变过程中产生的中微子在被物质吸收之前可以穿过数光年的固体铅。manbet手机版然而，中微子与物质相互作用的可能性随着中微子能量的增加而增加。

manbet手机版三种不同类型的中微子已经被观测到:
manbet手机版电子中微子
manbet手机版μ子中微子的
manbet手机版还有中微子

manbet手机版这些中微子与三种带电粒子有关:电子、μ子和tau。manbet手机版这六种粒子被称为轻子。manbet手机版当中微子与物质相互作用时，它既可以在相互作用后继续作为中微子存在(“中性电流相互作用”)，也可以产生相应的带电粒子(“电荷电流相互作用”)。manbet手机版电子中微子创造一个电子，介子中微子创造一个介子，中微子创造一个轻子。

manbet手机版在高能中微子相互作用过程中，带电轻子将继续沿着几乎与入射中微子相同的方向运动。manbet手机版在物质中，在相互作用中产生的电子会被阻挡几米，而质量更大的μ子可能会根据其能量继续运动几公里。manbet手机版确定被创造的μ子的方向将会给出μ子中微子在几度内的方向。manbet手机版这是理解高能中微子天文学的关键。

manbet手机版高能和低能中微子

manbet手机版中微子可以分为两类，低能和高能。manbet手机版当然，这是一个相当随意的划分，但它反映了生产过程和探测器的构建方式。

manbet手机版低能中微子主要是在核过程中产生的，比如太阳中的聚变反应或超新星爆炸中心的聚变反应。manbet手机版高能中微子主要产生于高能粒子碰撞，产生短命介子，衰变为中微子和其他粒子。

manbet手机版在粒子物理学的尺度中，低能中微子的能量为10^{manbet手机版th}manbet手机版(兆电子伏)，而高能中微子的能量超过10^{manbet手机版th}manbet手机版的千兆电子伏特。

manbet手机版中微子的来源

manbet手机版太阳中微子

manbet手机版到目前为止，只有两个地外中微子来源被观测到。manbet手机版两者都是低能量中微子源。manbet手机版第一个来源是太阳manbet手机版雷蒙。戴维斯manbet手机版2002年诺贝尔物理学奖得主，在20年的时间里，他成功地在他的探测器中平均每天捕捉到半个电子中微子相互作用。

manbet手机版超新星中微子

manbet手机版第二大地外中微子源是在1987年的10秒内观测到的，当时大麦哲伦星云中的一颗恒星爆炸成为超新星，后来被命名为SN1987。manbet手机版中微子从坍缩的内部经过17万年的旅程到达了地球，比光的到来早了几个小时。manbet手机版中微子或多或少能直接从恒星内部的中央坍缩处传播，但爆炸的影响直到后来才在恒星表面可见。manbet手机版神冈德(日本)、巴克山(Sovjet联盟)和IMB(美国)的探测器在10秒内观测到约25个中微子相互作用。manbet手机版对来自太阳和超新星的中微子的观测代表了一种新的天文学，因为中微子为我们提供了隐藏在可见光或一般光子之外的物体内部的过程的信息。

manbet手机版蟹状星云是1054年超新星爆炸的遗迹。manbet手机版在巨大的爆炸中，99%的能量以看不见的中微子的形式释放出来。 manbet手机版版权©NASA科学家/圣

manbet手机版来自未知宇宙射线来源的中微子

manbet手机版宇宙中高能中微子存在的有力论据是高能中微子的观测manbet手机版宇宙射线manbet手机版．

manbet手机版核粒子在深空传播了数百万年，不断地轰击着地球的大气层。manbet手机版当这些粒子与地球大气层相撞时，会产生许多短命粒子的阵雨。manbet手机版在地球表面，我们观察到阵雨的残余，其强度约为每平方米每秒100 μ子。manbet手机版今天，非常大的表面探测器正在测量宇宙射线的强度和能量。manbet手机版尽管早在1912年就发现了宇宙射线manbet手机版维克多•赫斯manbet手机版， 1936年诺贝尔物理学奖得主，我们仍然不知道他们从哪里来。manbet手机版我们预计，大多数粒子是在我们本星系的超新星爆炸中产生的，但观测到的最高能量的宇宙射线粒子被认为来自我们星系外的未知来源。manbet手机版观测到的最高宇宙射线的能量为50焦耳。manbet手机版给粒子这些极高能量的加速过程尚不清楚。manbet手机版这些粒子的来源也不是。manbet手机版最高宇宙射线粒子的能量比世界上最强大的粒子加速器LHC(大型强子对撞机)的能量高1000万倍，LHC将于2007年在日内瓦的欧洲核子研究中心启动。manbet手机版如果要在大型强子对撞机超导磁体的基础上“建造”一个质子加速器，其能量与最高宇宙射线相同，那么加速器的尺寸应该比地球绕太阳的轨道还要大(大型强子对撞机周长27公里)。manbet手机版由于宇宙射线是带电的，它们会被空间中的磁场所偏转。manbet手机版这意味着宇宙射线的方向并不指向源。manbet手机版为了探测源，需要像中微子这样不受磁场影响的电中性粒子。 The cosmic rays with more than 10% of the maximum observed energies will interact with the microwave background from the Big Bang and will not be able to travel long distances in the universe. The sources have to be “close,” not further away than 50 million light years, which is a very “short” distance in the cosmos. The existence of these extreme high energy cosmic rays is a real mystery. When the protons collide with the microwave background photons, mesons are created which in their decays will produce high energy neutrinos. These are called GZK-neutrinos (after Greisen, Zatseptin and Kuzmin) and are a guaranteed source of extraterrestrial high energy neutrinos.

manbet手机版光子比质子更有可能被微波背景光子吸收，这意味着对于高能光子来说，宇宙是不透明的。

manbet手机版最高能量宇宙射线的来源有几种可能的候选者。manbet手机版活动星系核(AGN)是一个中心有一个超大质量黑洞的星系。manbet手机版黑洞的质量可以达到太阳的十亿个质量。manbet手机版从这些星系的中心可以观察到一个喷射结构，距离数万光年，释放出大量的能量。manbet手机版当星系中的物质落入黑洞时，就会产生喷流。manbet手机版高能光子已经从这些物体中被观察到，质子也可能被加速。manbet手机版另一个可能的来源是伽马射线暴(GRB)，这是一种奇怪的事件，在不到一秒到100秒的时间内发射出伽马射线的短脉冲。manbet手机版它们是宇宙中观测到的能量最强的事件。manbet手机版每天大约发生两件这样的事情。manbet手机版它们离得很远，距离可达10英里^{manbet手机版10}manbet手机版光年。manbet手机版对这些事件的可能解释是，超重的恒星坍缩成黑洞，或者两颗中子星相互碰撞。manbet手机版当加速的高能质子与源周围的光子气体发生碰撞时，高能宇宙射线的未知来源将产生中微子，与微波背景的碰撞方式相同。manbet手机版碰撞将产生介子，介子衰变为介子和中微子，介子衰变为电子(正电子)和两个中微子。manbet手机版这些中微子将在不受空间磁场影响的情况下传播，如果在地球上被探测到，它们将指向宇宙射线的源头。

manbet手机版宇宙中微子的通量可以通过观察高能宇宙射线的速率来估计，人们会发现需要立方公里大小的探测器才能捕捉到中微子!

manbet手机版来自“暗物质”的中微子

manbet手机版高能中微子虽然没有上一节提到的高能中微子高，但可能与另一个奇怪的观察结果有关。manbet手机版当今物理学和天文学的主要谜团之一是宇宙中的“暗物质”。manbet手机版星系和星系群的旋转，就好像它们包含的物质比我们用标准天文仪器观测到的还要多。manbet手机版由于只有观测到的可见物质，由于快速旋转，星系应该将恒星和物质喷射到真空中。manbet手机版但这并没有发生，这表明物体中的物质比我们能观测到的更多。manbet手机版只有引力，才能感受到未知的隐藏物质。manbet手机版这种物质被称为“暗物质”。manbet手机版宇宙中大约30%的能量是物质，其余的是未知的“暗能量”，我们将不在本文中讨论。manbet手机版WMAP卫星最近的测量显示，宇宙中只有4%的能量是由原子形式的普通物质构成的，原子构成了恒星和行星。manbet手机版剩下的，占总能量的25%，是一种新的未知物质。

manbet手机版由三个星系和一个气体云组成的星系团NGC 2300。manbet手机版为了保持系统的重力稳定，需要比观测到的系统多20倍的质量。 manbet手机版版权©NASA科学家/圣

manbet手机版关于暗物质的一种流行的解释是，这种不同物质的大部分由弱相互作用的大质量粒子(wimp)组成，它们与我们的普通物质在大爆炸中同时产生。manbet手机版今天，这些粒子在我们周围流动，形成了我们星系中占主导地位的物质。manbet手机版当它们穿过太阳和地球时，它们可能会因引力而被困在这些物体的中心。manbet手机版当地球和太阳中心的暗物质粒子相遇并产生普通物质(其中包括高能中微子)时，它们会相互摧毁或湮灭。manbet手机版这些中微子的典型能量远远高于太阳中由聚变过程产生的电子中微子的能量。manbet手机版通过观察来自地球和/或太阳中心的高能中微子，人们可以获得关于暗物质的信息。manbet手机版同时，这对粒子物理学来说应该是一个非常重要的发现。

manbet手机版大气中微子

manbet手机版当宇宙射线撞击大气层时，产生的短命粒子会衰变为介子和介子中微子等。manbet手机版μ子喷射到地球表面，并被吸收到几十公里深的地方。manbet手机版然而，中微子可以轻易地穿过整个地球，它们与宇宙中微子的中微子背景相对应。manbet手机版同时，它们也可用于测试中微子望远镜。manbet手机版由于宇宙中微子的平均能量要比大气中微子高，这种背景是可以处理的。

manbet手机版高能中微子的探测

manbet手机版如何检测到中微子?

manbet手机版为了探测来自宇宙的高能中微子，人们不得不补偿中微子与物质相互作用的极小可能性。manbet手机版要做到这一点，唯一的方法就是在探测中使用大量的物质。manbet手机版(探测器中)使用的物质越多，相互作用的中微子就越多。manbet手机版由于探测器的成本有限，所以选择自然界中存在的物质，如水和冰，作为探测器的材料。manbet手机版其中一种方法是在探测器的体积上安装光传感器，以巨大的几何图形放置，并利用带电粒子在物质中运动速度超过光速时发出切伦科夫光的事实manbet手机版帕维尔·a·切伦科夫manbet手机版，manbet手机版我是弗兰克先生manbet手机版而且manbet手机版Igor y都manbet手机版1958年诺贝尔物理学奖得主)在移动粒子周围形成一个圆锥体。manbet手机版由于中微子是电中性的，它们不会发出切伦科夫光，但相互作用产生的带电粒子会发光。manbet手机版为探测器介质选择的材料必须对光非常透明。

manbet手机版探测器体积中的光传感器将观察介子发射的切伦科夫光的到达时间和强度。manbet手机版利用这些信息，可以在几度内确定中微子的方向。manbet手机版这类望远镜的一个问题是，望远镜上方天空中宇宙射线相互作用产生的μ子通量远远大于预期的中微子相互作用产生的μ子量。manbet手机版为了减少这种背景，望远镜被放置在水中或冰原深处，探测器元素向下透过地球。manbet手机版地球被用作过滤器，吸收大气中的μ子。manbet手机版只有穿过地球的μ子才被认为是望远镜下面中微子相互作用产生的μ子。

manbet手机版大量的透明介质和低速率的大气μ子通量的需求导致中微子望远镜只能建造在非常特殊的地方;manbet手机版在湖泊或海洋深处，深达4000米，或在南极洲巨大的冰盖深处。

manbet手机版高能中微子望远镜

manbet手机版目前有两个高能中微子望远镜正在采集数据——贝加尔湖的贝加尔湖探测器和位于南极的最大中微子望远镜——南极μ子和中微子探测器阵列(AMANDA)。

manbet手机版AMANDA由677个光探测器组成，部署在南极阿蒙森-斯科特基地冰原深处的19个洞中。manbet手机版选择这个非常奇怪的地方的原因是三公里厚的冰盖和地球上最透明的光学冰，以及美国基地阿蒙森-斯科特，全年都有人驻守。manbet手机版光探测器是通过融化冰洞部署的，这些冰洞直径60厘米，深2000多米。manbet手机版当装满水的洞准备好后，钻头被移走，光探测器在水重新结冰之前被部署(这花费了大约一周的时间)。manbet手机版望远镜的有效尺寸是高度400米，直径200米。manbet手机版AMANDA望远镜每天探测到3-4个中微子，这与预期的大气中微子数量一致。

manbet手机版立方千米大小的中微子望远镜

manbet手机版通过探测大气中微子，贝加尔湖和阿曼达中微子望远镜证明了大型切伦科夫探测器的技术已经成熟，可以用于搜索来自宇宙的高能中微子。manbet手机版目前运行的最大望远镜AMANDA在未来几年有可能观测到宇宙中微子，但可能不够大。

manbet手机版建造所需尺寸的中微子望远镜的几个项目正在进行中。manbet手机版最先进的项目是冰立方(IceCube)，它已经开始在南极的阿曼达(AMANDA)所在地点部署。manbet手机版冰立方将由80串光探测器(共4800个)组成，深度在1450到2450米之间，安装在与AMANDA相同的地点。manbet手机版该探测器的体积将为1立方千米，首根管柱已于2005年1月成功部署。manbet手机版探测器的部署将花费6年时间，但数据将与AMANDA望远镜一起从最初的几年记录下来。

manbet手机版在地中海有三个项目，法国土伦外的中微子望远镜天文学和深渊环境研究(ANTARES)，希腊皮洛斯外的海洋研究中微子扩展潜艇望远镜(NESTOR)和意大利西西里岛外的中微子地中海天文台(NEMO)。manbet手机版ANTARES和NESTOR探测器的第一个版本的目标是达到与位于南极的AMANDA望远镜相同的尺寸。manbet手机版在北半球安装一个大型中微子望远镜将是对位于南极的1立方千米中微子望远镜冰立方(IceCube)的一个很好的补充。

manbet手机版地中海的ANTARES中微子望远镜。 manbet手机版版权所有©F. Montanet, CNRS/IN2P3用于ANTARES合作

manbet手机版甚至更大尺寸的中微子探测器

manbet手机版还有其他的项目正在进行中，在比一立方千米更大的探测器体积中探测高强度的中微子相互作用。manbet手机版主要目标是探测到许多GZK中微子，这些中微子是在最高能量的宇宙射线与大爆炸产生的微波背景相碰撞时产生的。manbet手机版这些探测器正在记录中微子相互作用中发射的无线电波。manbet手机版使用无线电波而不是光学切伦科夫光的原因是，无线电波可以在物质中传播更长的时间而不被吸收，从而允许更大的探测器体积。manbet手机版然而，该技术的中微子能量阈值比前面讨论的望远镜要高得多，而且它们主要对高能电子中微子的相互作用敏感。

manbet手机版无线电冰切伦科夫实验(RICE)项目研究了AMANDA站点的南极无线电波技术。manbet手机版另一个有趣的项目是南极脉冲瞬态阵列(ANITA)，这是一个在南极洲进行的气球实验。manbet手机版装有ANITA无线电接收器的气球将在冰原上空37公里的高度循环几圈(30天)，并在冰上寻找高能中微子的相互作用。manbet手机版“探测器体积”将达到数千立方公里。

manbet手机版GLUE项目使用的探测器体积甚至更大，该项目正在寻找月球表面中微子相互作用产生的无线电波。manbet手机版最后还有两个卫星项目，极端宇宙空间天文台(EUSO)和轨道广角光收集器(OWL)，它们被提议用探测器体积达1000立方公里来寻找大气中的中微子相互作用。

manbet手机版总结

manbet手机版从宇宙中寻找高能中微子的工作才刚刚开始，在不久的将来，我们有望了解到关于我们迷人的宇宙的新的有趣事实。

manbet手机版参考文献

manbet手机版j·巴科尔(J. Bahcall)，《太阳如何照耀》(How the Sun Shines)，诺贝尔奖网站

manbet手机版超级神冈探测器
manbet手机版http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/

manbet手机版萨德伯里中微子天文台(SNO)
manbet手机版http://www.sno.phy.queensu.ca/

manbet手机版贝加尔湖
manbet手机版http://www.ifh.de/baikal/baikalhome.html

manbet手机版南极芒子和中微子探测器阵列(AMANDA)
manbet手机版http://amanda.uci.edu/

manbet手机版冰立方高能中微子天文台
manbet手机版http://icecube.wisc.edu/

manbet手机版中微子天文望远镜与深渊环境研究(ANTARES)
manbet手机版http://antares.in2p3.fr/

manbet手机版中微子地中海天文台(NEMO)
manbet手机版http://nemoweb.lns.infn.it/

manbet手机版带海洋学研究的中微子扩展水下望远镜(NESTOR)
manbet手机版http://www.nestor.org.gr/

manbet手机版无线电冰切伦科夫实验(RICE)
manbet手机版http://www.bartol.udel.edu/~spiczak/rice/rice.html

manbet手机版南极脉冲瞬变阵列(ANITA)
manbet手机版http://www.ps.uci.edu/~anita/

manbet手机版极端宇宙空间天文台
manbet手机版http://www.euso-mission.org/

manbet手机版轨道广角集光器(OWL)
manbet手机版http://owl.gsfc.nasa.gov/

manbet手机版* Per Olof Hulth出生于1943年。manbet手机版他是斯德哥尔摩大学实验天体粒子物理学的教授。manbet手机版他在斯德哥尔摩大学获得了基本粒子物理学博士学位，论文是关于质子-质子相互作用中的奇异粒子产生。manbet手机版1976年，他以研究员的身份来到欧洲核子研究中心，开始研究中微子物理学，研究BEBC气泡室。

manbet手机版他参与了欧洲核子研究中心的德尔福实验在lep对撞机中寻找manbet手机版希格斯manbet手机版粒子。manbet手机版在欧洲核子研究中心(CERN)工作后，他转向天体粒子物理实验(Experimental Astroparticle physics)，寻找来自宇宙的中微子，并成为南极AMANDA中微子实验的瑞典团队负责人。manbet手机版他是位于南极的新的大型中微子望远镜冰立方项目(2001-2005)的第一位发言人。manbet手机版自2004年4月以来，他是瑞典皇家科学院的成员。

manbet手机版首次出版于2005年3月23日