开启探测宇宙的新窗口：大型中微子探测阵列GRAND

□ 黄滟  [中国科学院国家天文台]

中微子天文学是继引力波天文学取得重大发现之后另一个认识宇宙的窗口，必将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。

GRAND实验是什么？

“大型中微子探测阵列（Giant Radio Array for Neutrino Detection，简称GRAND）”，旨在利用低频射电方法探测来自宇宙深处的高能中微子和高能宇宙射线。此实验是借助多年在天山地区建设和运行“宇宙第一缕曙光探测”望远镜21CMA发展的低频射电技术、在中法两国科学家十年合作的高能宇宙射线探测实验TREND取得圆满成功的基础上，由全球十多个国家的五十多位科学家共同发起的国际合作科学实验。国际合作组发言人是：法国巴黎第六大学O. Martineau博士，法国巴黎天体物理研究所K. Kotera博士和中国科学院国家天文台武向平院士。GRAND预计于2030年前后建成，由工作在50-200 MHz低频波段的20万只小天线组成，总面积约20万平方公里。目前，GRAND前期实验已经在青海冷湖地区展开。

该项目的英文版白皮书“The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND): Science and design”在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2020年63卷第1期发表[1]。

GRAND的工作原理

当宇宙射线进入地球时会发生大气簇射，其次级粒子的衰变会产生正负电子对，当这些带电粒子以近乎光速运动时，由于地球磁场导致同步辐射，大部分能量落在20-100 MHz的低频范围，表现为一个很短的无线电脉冲。所以，只要能够实现高时间分辨率的低频无线电观测并识别各种干扰信号，就有可能实现宇宙射线的无线电探测。用此方法，人们已经成功地实现了宇宙射线的探测。

每时每刻，都有成千上万个来自宇宙深处的“幽灵粒子”中微子轰击地球。当中微子和地球岩石发生作用时会产生寿命很短的τ轻子，而逃逸出地壳并衰变后的次级粒子将产生大气簇射，与利用低频射电手段观测宇宙射线的原理相同，我们可以通过低频无线电手段探测到这些短暂的射电脉冲，从而捉捕宇宙中的τ中微子。

什么是中微子？

• 中微子是一种基本粒子（费米子），它们个头很小，质量近乎于零且几乎不与其他物质相互作用，因此极难被捕捉到，号称宇宙“隐身人”。

• 另一方面，正是由于它们不轻易发生反应，中微子可以带来遥远天体的宝贵信息，让我们看得更“远”、更“深”，是探测极限宇宙的特殊信使。

• 中微子作为中性粒子（不带电粒子）不受磁场影响且仅由重子反应而来，是高能天体物理学的重点研究对象。

为什么要探测超高能中微子？

因为它们是宇宙空间独特的信使。中微子以其母体宇宙射线能量的5％产生，并且其传播路径不受宇宙磁场偏转的影响。因此能量大于10¹⁷ eV的中微子可以解决我们宇宙中最令人困惑的谜团之一：超高能宇宙射线的起源。

因为它们是下一个最具活力的科学前沿。中微子物理学正处于蓬勃发展的阶段，近年间该领域斩获2项诺贝尔奖，并通过南极的IceCube实验首次检测到了能量为10¹⁵ eV的中微子，但是到目前为止，超高能中微子仍未被发现。GRAND是唯一可以到达这个未知领域的已完成规划并已付诸实践的实验。

开启多信使全方位认识宇宙窗口。全电磁波段、宇宙射线、引力波和中微子，多种手段、全方位认识宇宙的时代已经来临，而继引力波天文兴起后，高能中微子将是人类们期待的另一个探知宇宙的重要手段。

GRAND的科学驱动——丰富多样的科学

GRAND项目有丰富的科学目标，除了探测高能宇宙射线和中微子，还可以进行其他多方面的研究，并推动信息、通信等高技术的发展。

超高能中微子天文学

GRAND对弥散的超高能中微子通量具有无与伦比的灵敏度：10⁻¹⁰ GeV cm⁻² s⁻¹ sr⁻¹（当能量为10¹⁸ eV时），将确保探测到超高能宇宙中微子。

超高能宇宙射线和伽马光子

GRAND将观测超高能宇宙射线和伽马光子，其孔径将是目前Pierre Auger Observatory的十倍以上。其高效的统计特性和重构性能将解决宇宙射线小尺度各向异性、宇宙射线光谱末端的化学成分。与目前的实验相比，GRAND对超高能光子有更高的灵敏度。

基础中微子物理学

通过探测能量高于10¹⁸ eV的中微子，GRAND将以比粒子加速器高几个数量级的能量探索基本粒子物理世界，可以对标准模型进行严格的检验并尝试发现新物理。

射电暴天文学

GRAND将以独特的方式为测量快速射电暴和大型射电脉冲做出贡献。由于GRAND不是相控天线阵列，因此可以充分利用整个天线的视场，实现大视场观测。

宇宙学

GRAND也将为宇宙科学其它领域做出贡献，特别是收集“宇宙黎明”和“电离时期”的信息。

展望

建成后的GRAND将达到极高灵敏度和低于1度的角分辨率，确保其在最保守的理论框架下依旧实现对于能量在10¹⁷ eV及以上的中微子的成功探测，开创中微子天文学！至2025年，预计部分完成的GRAND将已经具备足够的竞争力，可探测到第一批超高能中微子。GRAND同时将是世界上最大的超高能宇宙射线及光子探测设备，成为拓展人类对于超高能宇宙认知的重要里程碑。此外，GRAND将对中微子基础物理，射电暴天体物理，及宇宙学的研究做出重要贡献。

原文信息

[1] J. Á lvarez-Muñiz, R. Alves Batista, A. Balagopal V., J. Bolmont, M. Bustamante, W. Carvalho Jr., D. Charrier, I. Cognard, V. Decoene, P. B. Denton, S. De Jong, K. D. De Vries, R. Engel, K. Fang, C. Finley, S. Gabici, Q. B. Gou, J. H Gu, C. Guépin, H. B. Hu, Y. Huang, K. Kotera, S. Le Coz, J.-P. Lenain, G. L. Lü, O. Martineau-Huynh, M. Mostafá, F. Mottez, K. Murase, V. Niess, F. Oikonomou, T. Pierog, X. L. Qian, B. Qin, D. Ran, N. Renault-Tinacci, M. Roth, F. G. Schröder, F. Schüssler, C. Tasse, C. Timmermans, M. Tueros, X. P. Wu, P. Zarka, A. Zech, B. T. Zhang, J. L. Zhang, Y. Zhang, Q. Zheng, and A. Zilles, The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND): Science and design, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 219501 (2020), https://doi.org/10.1007/s11433-018-9385-7

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