用下一代中微子探测器解决超高能量鬼颗粒的谜团

图1。超高能粒子在宇宙中的创建和传播。

长期寻求的难以捉摸的超高能量中微子，幽灵状颗粒，即旅行宇宙级距离，是了解最高能量的宇宙的关键。检测它们是具有挑战性的，但是用于中耳检测的巨型无线电阵列（Grand），下一代中子探测器设计用于找到它们。

几十年的谜团：来自哪里最精力充沛的粒子在哪里？

过去五十年的天体物理学中的一个主要开放问题一直是我们已知的最能量粒子的起源，超高能量宇宙射线（UheCrs）。这些是带电的颗粒 - 质子和原子核的外星源。他们的能量比大型强子撞机的能量高次数高。

最精力充沛的uhecrs有1019 ev或更长时间的能量。这是关于由专业球员踢的足球（足球）的动能，集中在原子核的大小。Uhecrs可能是在强大的宇宙加速器中制作 - 像积极的超级分类黑洞和超端 - 位于银河系之外，在几个Gigaparsecs（109 Parsec〜1013 km）的距离，在可观察到的宇宙的距离。然而，尽管我们努力，但到目前为止没有确定宇宙射线的唯一来源。

原因是两倍。首先，因为宇宙射线是电荷的，所以它们被在白乳液空间中存在的磁场和银河系中的磁场弯曲。结果，他们到达地球的方向并没有达到它们的起源。其次，在他们到地球之旅中，UheCrs随机与宇宙微波背景透露宇宙的宇宙光子田间互动。在相互作用中，UHECR要么完全被破坏 - 所以永远不会到达地球 - 或者失去大量的能量 - 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副产物的二级超高能量NeforInos。那些我们可以用作寻找uhecrs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颗粒：它们是光，电中性的，并且几乎没有物质或光子相互作用。这使得难以检测它们。但它也意味着，与宇宙射线不同，超高能中微子不被磁场弯曲，也不是与宇宙光子相互作用的能量而不是弯曲。因为宇宙对他们不透明，所以即使在最高能量和最远处的位置也能够到达地球。

中微子继承了父母Uhecrs的5％的能量。因此，从1019eV（10eEV，10 eev = 1018ev）的Energies的中微子是从UHEN的uhegr的20倍，除非他们在附近生产。因此，通过研究EEV NeverRinos，我们间接地研究了200-EEV宇宙射线，在观察到的宇宙射线能谱的最终处。因为这些宇宙光线不太可能到达地球，所以Neutrinos提供了研究它们及其来源的唯一可行的方法。

图2。这是隆重的检测原理。

在UHECRS与宇宙微波背景的相互作用中产生的超高能量中微子，以到地球途中，称为美容中微子。见图1。他们的能谱编码有关他们的父母UHECR的信息 - 特别是它们的能量分配质量组成以及它们到达的最大能量。美容中微子也携带有关UHECR来源人口的信息 - 他们的数量密度和距离 - 这可以帮助缩小候选uHECR源类的列表。除了美容中微子外，还可以在UHECR来源内进行的相互作用制造超高能中微子。与宇宙原义的那样，这些中微子将在地球检测到时会恢复近源来源，因此它们能够透露纯粹的uhecr来源。

然而，到目前为止，超高能量的中微子均已突出检测。近年来，很明显，他们的磁通量很低，即大型中微子探测器 - 大于目前存在的磁体 - 是为了发现和研究它们所需要的。盛大是这样的探测器，专门设计用于解决这一挑战。

盛大：一个雄心勃勃的上一代天文台超高能量

盛大是一个雄心勃勃的下一代大型中微子探测器，特别是设计用于发现超高能量的中微子，即使它们的磁通量非常低。它将通过使用广泛的无线电天线阵列来实现这一点，以检测由在地球大气中相互作用的超高能中微子制成的不同的无线电信号。

Neutrinos通常随着物质的无力互动，并且能够在没有停止的情况下穿过地球。然而，中微子与物质相互作用的概率随着它们的能量而变化。因此，到达地球的超高能中微子有很大的机会在地球内部互动。

当三种已知类型的中微子 - “Tau Nearlinos”中的一个 - 在地下互动时，它产生短暂的粒子 - 一个“Tau Lepton” - 进入大气中。在那里，它衰减并造成新颗粒的淋浴，包括许多数十亿的电子和正弦，即在地球磁场的影响下发射MHz频率范围内的脉冲无线电信号。可以使用在50-200 MHz制度中使用相当简单的天线检测此信号。这是盛大的检测原则。它在图2中示出。

由于超高能中微子的预期通量非常低，因此我们需要一个巨大的探测器来增加检测机会。因此，Grand旨在使用天线覆盖200,000平方公里的总面积，使其成为世界上最大的无线电阵列。此外，Grand将对由超高能量宇宙射线和伽马射线产生的类似无线电信号敏感，使其成为多功能的超高能量天文台，而不仅仅是一种中微子探测器。

多年来，其他实验探索了超高能量颗粒的无线电检测技术，如皮埃尔·螺旋钻天文台和龙马。然而，宏伟的庞大代表了一个后勤挑战。我们将通过在逐步较大的阵列的阶段建造盛大。在每个阶段，科学目标和研究和开发（研发）将携手共进。

目前，GrandProto300是一家300天线工程阵列，在中国青海省镇镇附近正在建设中。它已经足够敏感，以研究观察到的宇宙射线的起源开始由丙型源源的起源。它还将搜索来自天体物理事件的瞬态无线电信号，例如快速的无线电突发和巨大的无线电脉冲。

下一阶段Grand10k将包括10000天线。它将是盛大的第一阶段足够大，以提供检测超高能量中微子的第一个机会。预计大约五年的大约10克的建设将从大约五年开始。Grand10K还将检测超高能量宇宙射线的记录数，并为超高能伽马射线达到最佳灵敏度。

最终目标阶段，大家将包括20万天线。这些天线将在几个（大约20个）不同的“热点”中设置，即世界上有利，无线电安静的位置。在这个阶段，宏伟将达到其全部物理潜力，特别是对超高能中微子的最佳敏感性。兰德200K计划在20世纪30年代。丰富的科学案例和挑战性的研发被要求创造盛大是吸引来自不同国家的科学家共同努力。正在准备通过不同机构之间的谅解备忘录正式化宏大组织结构的步骤。此外，青海政府正在提供必要的基础设施，它确保大陆网站没有人为背景资源。除了带来伟大的科学之外，盛大也可能成为中国领导地位的真正全球科学合作的成功榜样。

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笔记：1eV（ElectorVolt）为1.6 * 10 ^ 19J。×

参考：“用于中微子检测的巨型无线电阵列（Grand）：科学与设计“由JaimeÁlvarez-muñiz，Aswathi Balagopal V.，Aswathi Balagopal V.，Julien Bolmont，Mauricio Bustamante，华盛顿州Carvalho Jr.，Didier Charrier，IsmaślCognard，Valentin Decoene，Peter B. Denton，Sijbrand de Jong，Krijn D 。DE VRIES，RALPH Engel，Ke Fang，Chad Finley，Stefano Gabici，Quan，Bu Gou，Jun，Hua Gu，ClaireGuépin，Hong，Bo Hu，Yan Huang，Kumiko Kotera，Sandra Le Coz，Jean-Philippe Lenain，Jean-Philippe Lenain，Guo ，梁丽维尔马丁·霍伊斯·米格尔·莫萨克·特芬·穆特斯，科特拉·默西，瓦伦丁，福克·尼基苏，特兰·皮埃洛，赵，李谦，博秦，段冉，尼古拉斯雷诺-Tinacci，Markus Roth，FrankG.Schröder，FabianSchüsler，fabianschüsler， Cyril Tasse，Charles Timmermans，MatíasTueros，Xiang，Ping Wu，Philippe Zarka，Andreas Zech，B. Theodore Zhang，Jian，李张，易张，钱铮和安妮Zilles，2019年8月4日，科学硕士学位，力学和天文学.doi：
10.1007 / s11433-018-9385-7