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天体物理学

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雷达可以探测南极冰中的宇宙中微子

28 Jan 2020
南极冰盖
巨型探测器:向南极冰中发射无线电波可能会显示出高能中微子。 (礼貌:斯蒂芬·哈德森/ CC BY 2.5)

在美国SLAC实验室工作的物理学家表明,他们可以通过将无线电波从一系列高能粒子上反弹来检测雷达回波。他们的成就可能会导致一种新型且廉价的中微子望远镜-一种能够检测当前能量超出光学天文台和无线电天线范围的中微子的望远镜。

大约十年来,南极的一个不寻常的望远镜称 冰块 一直在寻找中微子的天空。该天文台由数十公里长的光电倍增管串埋在冰中构成,它探测由向上穿过地球的中微子与冰相互作用时所产生的带电粒子级联发射的Cherenkov辐射。自2013年以来,一些微弱的闪光被确定为来自高能“宇宙”中微子-它们来自深空而不是太阳或地球大气。

冰块检测到中微子的能量高达10 PeV(1016 eV),但不太可能达到更高的能量。那是因为光波长的Cherenkov辐射在冰中被大大衰减-最多传播约200 m-这限制了探测器的体积。由于中微子在较高能量下较为稀有,因此限制体积会对能量施加上限。

无线电发射

中微子相互作用产生的带电粒子阵雨也发射无线电波,它在冰中传播的距离比光传播的远得多。确实, 安妮塔 基于气球的探测器通过探测来自南极冰层的无线电发射来搜索中微子。但是,ANITA与IceCube有着相反的问题-它难以检测能量小于100 PeV的中微子,因为无线电发射的强度与入射粒子的能量成比例。

在最新作品中, 史蒂文·普罗伊拉 俄亥俄州立大学的研究人员和同事们以雷达回波的形式开发了一种“主动”的无线电检测手段。这依赖于这样的事实,即以接近光速的速度穿过材料的级联粒子将踢出材料中原子的电子。在这些电子被重新吸收之前的短暂时间内,可以通过外部施加的无线电波使它们振荡。然后可以使用天线来检测振荡电子发出的无线电波-“回声”。该技术的一个好处是,它基本上与入射粒子的能量无关。

Prohira是一个尝试在现场演示此技术的小组的成员,该小组使用了捐赠的电视发射机和位于犹他州的宇宙射线望远镜附近的一组无线电天线。目的是检测通过宇宙射线喷淋而离子化的空气分子的雷达回波,从而确认它们可以与望远镜同时观测到信号。但是,经过三年的数据采集,有限的检测效率部分是由于空气中自由电子的寿命非常短而导致没有雷达信号出现。

测试回声

为了找到确切的效果证据,Prohira和同事现在在终点站A的实验室完成了实验室实验。 SLAC国家加速器实验室 在加利福尼亚。他们在那里设置了一个4米长的塑料靶作为南极冰的代理,并用含有约十亿个电子的光束对其进行了爆炸,每个电子的能量约为1010 eV。这个想法是用10代表中微子的效果19 eV(略高于理想能量,但该值由实验室中的其他用户确定)。

将无线电波对准目标并使用第二根天线监视任何回声后,研究人员观察到持续时间小于10 ns的信号。这种信号是通过仿真预测的,因此,在考虑了多个背景源之后,研究小组得出结论,这确实是目标内部电离产生的雷达回波。

弗朗西斯·哈尔森(Francis Halzen) 威斯康星大学麦迪逊分校和IceCube的首席研究员说,尽管在现场测试回声检测一直是“挑战”,但研究人员已经能够使用SLAC波束在无线电技术方面取得进展。他说:“这是这些光束实验能力的又一个例子。”

Prohira和他的同事现在正在计划在南极进行的一项新实验,该实验的高度应足以检测到到达冰层的宇宙射线阵雨的雷达回波。如果资金到位,他们希望在未来几年内启动并运行检测器。他们的目标是在十年末之前完成一个中微子观测站。 Prohira解释说:“我们首先想证明该技术在建立完整尺寸的阵列之前可用于已知来源,”。

这样的天文台的优点在于它的简单性。 Prohira估计,相对来说,冰上的探测器孔很少,雷达设备也相当简单,这意味着价格仅为数百万美元,而不是IceCube的2.75亿美元。他声称,这种经济不会损害科学。实际上,他认为雷达回波设施可以在识别高能中微子的来源以及风味物理学中产生重要的结果。他说:“我们希望与IceCube形成互补。”

报告该研究的论文已被接受发表在 体检信 并提供预印本 arXiv.

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