微中子天文學

微中子天文學以測量微中子的流量為主要手段，研究天體物理過程。恆星內部的核反應、超新星爆發等過程都會發出大量的微中子。微中子是一種輕子，不參與強相互作用和電磁相互作用，與普通物質的反應截面很小，平均自由程很長，給探測帶來了很大的困難。太陽微中子是在太陽內部核反應過程中產生的，在地球附近具有很高的流量。因為微中子與物質的弱相互作用，微中子提供了一個獨特的機會去觀察那些光學望遠鏡無法接觸的過程。

微中子望遠鏡

微中子天文學領域仍然處於非常初期的階段 - 唯一證實地球之外來源至今為止僅有太陽和超新星SN 1987A。

歷史

微中子第一次記錄是被在1956年由克萊德·科溫和弗雷德里克·萊因斯從一個核反應爐記錄的^[1]。他們的發現榮獲1995年度的諾貝爾物理學獎^[2]。

20世紀60年代晚期，在美國物理學家雷蒙德·戴維斯的領導下，美國在南達科他州一個深達1500米的金礦中建造了Homestake探測器（英語：Homestake experiment），裝了38萬公升四氯乙烯溶液，用於測量太陽的微中子流量。但是觀測到的流量與根據標準太陽模型計算的結果有很大的偏差，大約只有後者的三分之一，這就是著名的太陽微中子問題。

1982年，日本科學家小柴昌俊在一個深達1000米的廢棄砷礦中領導建造了神岡探測器，最初目標是探測質子衰變，也可以利用微中子在水中產生的切連科夫輻射來探測微中子。1987年2月，在銀河系的鄰近星系大麥哲倫雲中發生了超新星1987A的爆發。日本的神岡探測器和美國的Homestake探測器幾乎同時接收到了來自超新星SN 1987A的19個微中子，這是人類首次探測到來自太陽系以外的微中子，在微中子天文學的歷史上具有劃時代的意義。

20世紀90年代，神岡探測器經過改造，名為超級神岡探測器，容量擴大了十倍。1998年，超級神岡探測器首次發現了微中子振盪的確切證據，表明三種微中子是可以相互轉換的，為解決太陽微中子問題指明了道路。

第一代的海底微中子望遠鏡項目的開始與由Moisey馬爾可夫（英語：Moisey Markov）在1960年的提案「......將探測器安裝在深湖或深海，以及利用切倫科夫輻射的幫助來確定帶電粒子的位置」^[3][4]。

第一個水下微中子望遠鏡開始於DUMAND項目（英語：DUMAND Project）。 DUMAND（Deep Underwater Muon and Neutrino Detector）表示深海水下μ子微中子和探測器。該項目開始於1976年，雖然它最終被取消於1995年，它充當了很多在隨後的幾十年以來望遠鏡的先驅者 ^[3]。

貝加爾湖微中子望遠鏡（英語：Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope）安裝在俄羅斯貝加爾湖的南部。該探測器位於1.1公里深度,並且於1980年開始調查。在1993年，它是第一個部署用三串鏈條來重建μ介子的軌跡，以及在水下的第一記錄大氣微中子^[5]。

南極緲子和微中子觀測陣列（英語：Antarctic Muon And Neutrino Detector Array）（AMANDA）使用在南極約3公里厚的冰層和位於阿蒙森-史考特南極站數百米距離。AMANDA最終成為在2005年的IceCube的前身^[3][5]。

21世紀

2001年，加拿大的薩德伯里微中子天文台發表了測量結果^[6]，探測到了太陽發出的全部三種微中子，證實了太陽微中子在達到地球途中發生了相互轉換，三種微中子的總流量與標準太陽模型的預言符合得很好，基本解決了太陽微中子缺失的問題。

2002年，雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊因在微中子天文學的開創性貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

第二代的深海微中子望遠鏡項目已經達到甚至超過最初由DUMAND項目（英語：DUMAND Project）先驅者們設想的尺寸。IceCube微中子觀測站位於南極，並納入其前身南極緲子和微中子觀測陣列（英語：Antarctic Muon And Neutrino Detector Array）（AMANDA），於2010年12月完成。目前，它包括在水深1450米到2550的南極冰蓋上安裝了86串鏈條上的5160個數字光學模塊。在地中海KM3NeT（英語：KM3NeT）和GVD在它們的準備/原型階段。IceCube儀器布置於1立方千米的冰中。 GVD也計劃覆蓋1立方千米，但有更高的能量閾值。 KM3NeT（英語：KM3NeT）計劃涵蓋多個立方千米。無論KM3NeT和GVD可能在2017年完成，預計全部三個將形成一個全球性的微中子觀測站。

2018年7月，冰立方微中子天文台宣布於2017年9月偵測到一顆微中子，該微中子來自37億光年遠的獵戶座耀變體TXS 0506+056。這是人類第一次使用微中子探測器來定位太空中的物體^[7][8][9]。

檢測方法

主條目：微中子探測器

由於微中子與物質只有很少的相互作用，所以衝過地球的太陽微中子的巨大通量給10³⁶個靶原子足夠以產生1個相互作用，並且每一個相互作用只產生少數光子或一個嬗變原子。微中子相互作用的觀察需要一個大的檢測器質量，以及一個敏感的放大系統。

參見

• 宇宙微中子背景輻射

參考文獻

1. Cowan, C. L., Jr.; Reines, F.; Harrison, F. B.; Kruse, H. W.; McGuire, A. D. Detection of the free neutrino: A Confirmation. Science. 1956, 103 (3124): 103–104. Bibcode:1956Sci...124..103C. PMID 17796274. doi:10.1126/science.124.3212.103.
2. The Nobel Prize in Physics 1995. Nobel Foundation. [2013-01-24]. （原始內容存檔於2018-07-10）.
3. Spiering, C. Towards High-Energy Neutrino Astronomy. European Physical Journal H. 2012, 37 (3): 515. Bibcode:2012EPJH...37..515S. arXiv:1207.4952 . doi:10.1140/epjh/e2012-30014-2.
4. Markov, M. A. Sudarshan, E. C. G.; Tinlot, J. H.; Melissinos, A. C. , 編. On high-energy neutrino physics. University of Rochester. 1960: 578. |booktitle=被忽略 (幫助)
5. Katz, U. F.; Spiering, C. High-Energy Neutrino Astrophysics: Status and Perspectives. Progress in Particle and Nuclear Physics. 2011, 67 (3): 651–704. Bibcode:2012PrPNP..67..651K. arXiv:1111.0507 . doi:10.1016/j.ppnp.2011.12.001.
6. Ahmad, Q.R. et al., Physical Review Letters, 87, 1301. NASA ADS
7. Overbye, Dennis. It Came From a Black Hole, and Landed in Antarctica - For the first time, astronomers followed cosmic neutrinos into the fire-spitting heart of a supermassive blazar.. The New York Times. 12 July 2018 [13 July 2018]. （原始內容存檔於2019-05-14）.
8. Neutrino that struck Antarctica traced to galaxy 3.7bn light years away. The Guardian. 12 July 2018 [12 July 2018]. （原始內容存檔於2019-08-15）.
9. Source of cosmic 'ghost' particle revealed. BBC. 12 July 2018 [12 July 2018].^{[永久失效連結]}

外部連結

• 微中子天文學與X射線天文學 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）