公里尺中微子探测器的时代

文摘

太阳中微子天文学之外在1950年代末首次想象;到了1970年代,它是意识到公里尺中微子探测器是必需的。第一个这样的仪器,冰立方,变换一个立方公里的深,ultra-transparent南极冰粒子探测器。KM3NeT,乐器,旨在利用几个立方公里的地中海为探测器中,在最终设计阶段。这些工具的科学任务包括寻找宇宙射线的来源和暗物质,观察银河超新星爆炸,研究中微子。识别的加速器产生星系,银河系外的宇宙射线的首要任务是几代高能伽马射线和中微子望远镜;成功是难以捉摸的。探测伽马射线和微中子通量与宇宙射线到达一个新的转折点,冰立方的完成,第一个中微子探测器灵敏度的预期的通量。在本文中,我们将首先讨论构建公里尺中微子探测器的基本原理。到达我们将随后召回的方法确定方向,能源和风味的中微子,并将随后描述冰立方的架构和KM3NeT探测器。

1。介绍

1956对中微子的观察后不久1),他们的想法出现了,它代表了理想的天文信使。中微子从宇宙的边缘基本上没有吸收和偏转磁场。基本上没有质量和电荷后,光子中微子是相似的,除了一个重要的属性:它与物质的相互作用非常微弱。所以,高能中微子可能达到我们毫发无伤地从宇宙的距离,从黑洞的内部社区,希望从宇宙射线的核熔炉中出生。他们的弱相互作用也使宇宙中微子很难检测到。需要巨大的粒子探测器收集宇宙中微子在统计上显著的数字2]。到了1970年代,很明显,一个立方千米探测器需要观察宇宙中微子产生的宇宙射线与背景微波光子的相互作用(3]。更新估计观察潜在的宇宙加速器如银河超新星遗迹和伽马暴不幸的是指向同一个迫切的要求(4- - - - - -6]。建立一个中微子望远镜是一项艰难的技术挑战。

考虑到探测器的要求尺寸,早期的努力集中在把大量的自然水到切伦科夫探测器捕捉光时产生中微子与原子核相互作用在或接近探测器(7]。经过长达20多年的努力,建立深度水下μ子中微子探测器(DUMAND)夏威夷主岛海域不幸失败(8]。然而,DUMAND铺平了道路为以后努力开拓目前许多探测器技术的部署和鼓舞人心的小仪器在贝加尔湖9),以及努力委员会中微子望远镜在地中海(10- - - - - -12]。这些都对KM3NeT建设铺平了道路。第一个望远镜DUMAND协作实现设想的规模而不是通过将大量的极其透明的自然深南极冰粒子探测器,南极μ介子和中微子探测器阵列(阿曼达·)。在自2000年以来,它代表一个概念证明公里尺中微子天文台,冰立方(13,14]。

中微子天文学已经取得了惊人的成就:太阳中微子探测器有“看到”和1987年在大麦哲伦星云里发现了一颗超新星。观察都是巨大的重要性;前者表明,中微子的质量非常小,打开第一个裂纹在粒子物理学的标准模型,而后者确认的基本核物理死亡的恒星。图1说明了宇宙中微子能谱覆盖一个巨大的范围,从微波能量电动汽车,电动汽车(15]。这个数字是观察和理论预言的混合物。低能量的中微子天空是由大爆炸产生的中微子。在兆电子伏能量,中微子是由超新星爆炸;流量从1987事件显示。图显示测量atmospheric-neutrino 100电子伏特的能量通量阿曼达实验(16]。大气中微子是关键,我们的故事,因为它们的主要背景外星搜索。大气中微子的通量与提高能源急剧下降;事件超过100伏特的电压是罕见的,留下一个清晰的视野外星来源。

图中的最高能量的中微子1是π介子的衰变产物相互作用产生的宇宙射线的微波光子(18]。以上~ 4×10的阈值¹⁹电动车、宇宙射线与微波背景介绍宇宙射线通量的吸收特性,在Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK)截止。结果,平均自由程的银河系外的宇宙射线传播大约75大微波背景是有限的,因此,二次中微子是唯一still-enigmatic来源的调查更长的距离。他们将揭示的是一种投机行为。微中子通量的计算与银河系外的宇宙射线的观测通量是简单,产量每年一个事件在一个公里尺探测器。通量,贴上GZK图1分享了一个高能中微子,天空与中微子从伽马暴和活动星系核(4- - - - - -6]。

2。宇宙射线谜题

尽管他们发现潜在的接触广泛的科学问题,建设地面伽马射线望远镜和公里尺中微子探测器主要是出于打开一个新窗口的可能性宇宙TeV能源地区及以上。在本文中,我们将重温的前景检测伽马射线和中微子与宇宙射线,从而揭示其来源100周年纪念时我们发现维克多·赫斯于1912年。与指控,宇宙射线,伽马射线和中微子点回到他们的来源。

宇宙粒子加速器产生过剩的能量TeV;我们仍然不知道在哪里或如何19- - - - - -21]。宇宙射线的通量观测地球图所示2。能谱遵循一系列的三个权力的法律。前两个是分离的特性被称为“膝盖”能源(我们将使用能源单位TeV, PeV EeV,增加的因素从1000 GeV能源)约3 PeV。有证据表明,宇宙射线,这种能量是银河。任何与我们银河系附近消失的第二个特征光谱称为“脚踝”;参见图2。脚踝以上,质子的回转半径在银河系磁场超过大小的星系,我们正在见证一个银河系外的组件的发病在扩展的频谱能量超过100 EeV。直接支持了这种假设来自三个实验(22- - - - - -24),观察到的结构产生的宇宙射线光谱吸收的微波背景辐射的粒子通量,所谓Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK)截止。中微子产生GZK交互;已经承认在1970年代,他们的观察需要公里尺中微子探测器。宇宙射线通量的起源在中间区域覆盖PeV-to-EeV能量仍是一个谜,尽管通常认为它源于一些高能银河的加速器的延伸。

加速的质子(或核)TeV能源及以上需要大规模批量相对论性带电粒子的流动。这些可能来自附近的特殊引力黑洞或中子星。崩溃的严重性对象权力大的带电粒子电流高磁场的起源。这些粒子加速创造机会冲击。事实上,电子加速高能黑洞附近;天文学家发现他们间接地通过同步辐射。一些必须加速质子,因为我们观察宇宙射线。

详细的蓝图宇宙射线加速器必须满足两个挑战:最高的能量粒子束必须达到> 10³TeV (TeV)银河(银河系外的)来源和满足的总能量(光度)要求适应观察到的宇宙射线通量。代表严重约束理论家的想象力有限。

提出了超新星遗迹尽可能银河宇宙射线的来源由Baade早在1934年,兹维基(25];他们的建议仍然是一个有争议的问题,超过70年26]。银河宇宙射线的能量至少几个PeV,“膝盖”的范围。他们的交互与银河氢附近的加速器应该二级π介子衰变产生的伽马射线达到数以百计的能量。这些资源应该识别由一个相对平坦的能谱,延伸到数百TeV没有衰减,因为宇宙射线本身达到至少几个PeV在膝盖附近;他们被称为PeVatrons。搜索定位他们迄今为止成功。

虽然没有无可争议的证据表明超新星加速宇宙射线,这种想法是公认的能量:三个超新星每世纪将合理的太阳质量的一部分转化为粒子加速可以容纳的稳定通量在银河宇宙射线。最初,能量也开车猜测银河系外的宇宙射线的起源。

通过集成的宇宙射线频谱图2在脚踝,我们发现宇宙的能量密度在银河系外的宇宙射线~ 3×10⁻¹⁹erg厘米⁻³(27,28]。所需的权力来源的人口产生的能量密度在哈勃时间年~ 3×10³⁷erg年代⁻¹每(Mpc)³。(天体粒子社区,这也被称为通量TeV Mpc⁻³年⁻¹)。伽马射线爆发(GRB)火球将太阳质量的一小部分转换成电子的加速,视为同步光子。银河系外的宇宙射线的能量可以容纳的合理假设冲击扩大伽马线暴火球大致相等的能量转化为电子和宇宙射线的加速度(29日- - - - - -31日]。恰巧,~ 2×10⁵²erg /伽马射线爆发会产生后对已观测到的宇宙射线能量密度年,鉴于率是每Gpc订购300³每年。每年数以百计的爆发在哈勃时间产生观察到的宇宙射线密度,就像三个超新星每世纪适应稳定通量的星系。

问题解决了吗?不是:事实证明,可以实现相同的结果假设活动星系核(AGN)转换,平均~ 2×10⁴⁴erg年代⁻¹每个粒子加速。对伽马线暴一样,这是一个相匹配的输出电磁辐射。是否伽马线暴AGN的观察,这些来源相似的能量光子辐射和宇宙射线不太可能是一个意外。接下来我们将讨论连接;它会导致微中子通量的预测。

3所示。中微子和光子与宇宙射线

有多少伽马射线和中微子产生与宇宙射线束?一般,一个宇宙射线源也应梁转储。宇宙射线在黑洞附近地区的高磁场加速不可避免地与周围辐射交互,例如,紫外光子在活跃星系或兆电子伏光子在伽马线暴火球。在这些交互、中性和带电介子辅助生产的流程 虽然二次质子可能仍然被困在高磁场,中子和中性和带电介子衰变产物的逃跑。逃离的能量源,因此,分布在宇宙射线,伽马射线和中子衰变产生的中微子,中性介子,分别和带电介子。

在银河超新星冲击的情况下,讨论了进一步,宇宙射线主要是与氢在银盘,生产相同数量的π介子的所有三个罪名在强子碰撞;介子多样性。这些二级通量应该受到宇宙射线的交互与高密度的分子云无处不在在超新星的恒星形成区域更有可能爆炸。一个类似的机制可能与银河系外的加速器;我们将集中精力机制,相关的,例如,伽马射线爆发。

在一个通用的宇宙光束转储,加速宇宙射线,假定为质子插图,与光子相互作用的目标。这些可能是光子吸积盘在AGN和同步加速器辐射的光子与质子共存的爆炸火球产生伽马线暴。他们相互作用产生带电和中性介子(1),分别与概率2/3和1/3。随后,π介子衰变为伽马射线和中微子携带,平均父介子的1/2和1/4的能量。我们这里假设的四个轻子衰变平分带电介子的能量。介轻子的能量相对于质子 在这里, 平均能量从质子转移到介子。二次中微子和光子通量 在这里,代表中微子和反中微子通量之和不著名的实验。振荡在宇宙基准收益率近似等于3口味通量。

重要的是要意识到高能质子可能保持磁局限于加速器。这是很难避免的伽马线暴绝热地失去他们的能源和被困在火球,扩大辐射压力,直到它变得透明和生产显示天文学家观察到。次级中子(见(1)做逃避高能量和衰变为质子通量观测银河系外的宇宙射线的来源: 与,相对次要的中子的能量和最初的质子。加速器的蓝图与高能质子加速逃离,中微子的能量是由(5): 导致减少微中子通量比中子。确定观察到的宇宙射线通量与次级中子通量提高相关的微中子通量。与一般的加速器冲击谱,粒子的能量,是恒定的,中子场景导致增加微中子通量的因素。

3.1。讨论

之间的直接连接宇宙射线、光子、中微子通量受修改,对粒子物理、天体物理原因。从粒子物理的角度来看,我们认为最初的质子互动一次,只有一次。如果交互次,这取决于光子数量目标密度,(8),是广义的 为这并不是太大。额外的因素考虑这样一个事实,即中微子,与质子,不吸收微波背景,因此,达到我们从加速器超出GZK质子吸收长度约50 Mpc。的因素是随具体的红移演化来源考虑。Waxman和Bahcall [29日],Vietri [30.],Bottcher和皮肤31日)认为,透明TeV伽马射线的来源,光子密度是这样对于质子,预示绑定;事实上,横截面,光子的平均自由程交互在TeV能量质子的是一样的在EeV交互。(由于某种原因,因素1/3 (9)已经取代了1/2原绑定)。正如之前所讨论的,次级中子在哪里观察到的宇宙射线的起源,必然增加。消息人士被称为模糊或隐藏的隐藏在光源,也就是说,因为冰立方已经达到上限的能量宇宙中微子低于版本的束缚,隐藏来源并不存在,至少不是的版本。

一个可以包括光生以外的最终状态共振的近似,提出了这里(32]。

也有天体物理问题模糊gamma-neutrino连接(9),它只适用于介起源的伽马射线通量。同步加速器辐射非热能的来源产生伽马射线,他们的TeV通量可以经常通过散射光子的电子束更高的能量。介光子有些难以捉摸的分开,和任何应用程序(9)需要照顾。

公里尺中微子探测器的基本原理是,他们的灵敏度足以揭示一般的宇宙射线源与中微子能量密度与能量密度的宇宙射线(27,28和介TeV伽马射线33,34]。

4所示。银河宇宙射线的来源

宇宙射线的能量密度在我们的银河系erg厘米⁻³。银河宇宙射线不是永远;他们分散在microgauss字段和被困的平均控制时间年。权力需要保持一个稳定的能量密度需要加速器交付erg / s。这是10%的电力由超新星释放erg每30年(erg对应于1%的结合能中子星后99%最初输给了中微子)。这个巧合的基础是超新星爆炸产生的想法,冲击到星际介质的加速器是银河宇宙射线。

尽管工具改善灵敏度的快速发展,它已经无法最终确定超新星遗迹作为宇宙射线的来源通过识别陪同伽马射线介子的来源。一个通用的超新星遗迹释放的能量erg宇宙射线的加速度将不可避免地产生与氢交互TeV伽马射线的星系盘。介伽马射线的辐射率仅仅是宇宙射线的密度成正比吗和目标密度的氢原子。在这里,厘米⁻³通过整合质子光谱的能量。对于一个光谱, 或 的比例系数(10)是由粒子物理学;是二次光子的平均能量相对于宇宙射线质子,然后呢是质子相互作用长度(mb)的密度的氢原子。对应的亮度 在哪里占据的体积是超新星遗迹。我们这里做了近似的体积大约是由年轻的遗迹或者遗迹中粒子的密度不是很不同于周围的能量密度erg厘米⁻³银河宇宙射线的4- - - - - -6]。

我们因此预测(35,36]TeV光子的速度从一个超新星在一个名义上的距离1 kpc的秩序

正如简介中所讨论的,膝盖的位置在宇宙射线光谱表明,一些的几个PeV加速宇宙射线的能量来源。因此,这些PeVatrons产生介伽马射线的光谱可以扩展到数百没有切断TeV。对于这样的来源,射线通量TeV能源范围可以参数化的光谱斜率能源加速器切断了和正常化吗 的估计(13)表明通量一样大(TeV⁻¹厘米⁻²年代⁻¹可以预期的能量)(10 TeV)。

因此,我们专注于寻找PeVatrons,超新星遗迹与所需的能量产生宇宙射线,至少“膝盖”的频谱。他们可能已经揭示了~ 10 TeV的最高能量全天调查已明显减少的伽马射线探测器(37]。来源的一个子集,位于附近的恒星形成区域在天鹅座和星系附近的纬度度,确定;一些不能随时与已知的超新星残骸或其他波长的观察与非热能的来源。随后,定向空中切伦科夫望远镜指向三个来源,揭示它们作为PeVatron候选人近似能谱,延伸到数万TeV截止(没有证据38,39),与最好的研究超新星遗迹RX j1713 - 3946和RX j0852.0 - 4622(小船帆座)。

一些已明显减少来源可能是分子云被年轻的宇宙射线束加速残余位于~ 100电脑。一个确实预计multi-PeV宇宙射线只在短时间内加速,当冲击速度很高,也就是说,当自由膨胀的残余转换Sedov阶段的开始。高能粒子可以产生光子、中微子更长时间当他们通过星际介质扩散与附近的分子云(40]。分子云的协会和超新星残骸预计,当然,在恒星形成区域。在这种情况下,任何混乱同步光子是不可能的。

尽管地面和星载仪器的迅速发展,提高灵敏度,它已经无法最终确定超新星残骸的宇宙射线的来源加速度通过识别陪同伽马射线介子的来源。事实上,最近的数据从费米LAT挑战了强子的解释GeV-TeV辐射研究最好的候选人,RX j1713 - 3946 (41]。相比之下,关于宇宙射线检测相应的中微子将提供无可辩驳的证据加速度。粒子物理学规定之间的关系介伽马射线和中微子和基本的生产预测对每两个伽马射线被已明显减少。这个计算可以用在前一节中讨论的形式大约相同的结果。确认的部分,已明显减少产生介伽马射线源宇宙射线束产生的预计出现操作完成后冰立方探测器好几年;参见图3。

定量统计数据可以概括如下。描述通量的参数的平均值,我们发现完成冰立方检测器可以确认来源,已明显减少天空宇宙射线加速度的网站地图在不到一年的水平三年(35]。我们这里假设源延伸到300伏特的电压或10%的宇宙射线的能量谱的膝盖附近。这些结果同意先前的估计(42,43]。这个估计有内在模棱两可的天体物理性质可能会减少或扩展所需的时间观察(35]。尤其是不知道扩展的本质的一些已明显减少来源也是一大挑战冰立方的观察,是点光源的优化。在缺乏观察TeV-energy超新星中微子的冰立方的10年内,这一概念将受到挑战。

5。银河系外的宇宙射线的来源

与银河宇宙射线的情况不同的是,没有简单射线路径中微子流量预计从银河系外的宇宙射线加速器。微中子通量从AGN很难估计。伽马线暴,情况定性更好,因为中微子PeV能源应该产生GRB火球(质子和光子共存时29日]。正如前面讨论的,该模型是可信的,因为观察到的宇宙射线通量可以容纳假设大致相等的能量是共享的电子,质子同步加速器光子和观察。

5.1。伽马线暴

如果伽马线暴火球是银河系外的宇宙射线的来源,宇宙射线通量的中微子流量直接相关。关系的事实,对于每一个次级中子质子衰变成一个宇宙射线,有三个中微子产生关联: 每中微子振荡后,味道 的因素的上下文中介绍原因解释(9)。

另一种方法是在常规冰立方伽马线暴搜索(44]:质子火球的内容来源于观察电磁发射光谱(乐队)。的基本假设是,类似的能量消散在火球质子和电子,后者在哪里观察同步加速器辐射: 在哪里,能量分数在火球在质子和电子44]。

临界量正常化伽马线暴中微子通量;它的计算是相对简单的。成功地满足天文观测的现象学是创建一个热火球的电子,光子,最初不透明的辐射和质子。因此,热等离子体膨胀的辐射压力,粒子加速到一个洛伦兹因素生长在等离子体光学薄和产生伽马线暴显示。从这个角度,火球海岸的洛仑兹因子是恒定的,取决于它的重子的负载。重子的组件包含大量的火球的动能。的能量和时间结构快速破裂可以成功地与连续冲击(壳),宽度,发展扩大火球。伽马射线的时序变化迅速,毫秒的顺序,可以解释为内部的碰撞冲击与重子的负载不同导致不同的散装洛仑兹因子。一阶费米加速电子,加速,强烈的伽马射线辐射同步加速器内部磁场,从而产生爆炸中观察到光谱峰值。

交互的数量是由光学深度的火球壳的相互作用 质数是指火球静止坐标;未灌注的数量在观察者框架。火球光子的密度取决于爆炸中总能量erg,光子的能量特征兆电子伏,体积外壳: 与 唯一的微妙的依赖的壳半径;对于一个简单的推导看到Gaisser et al。4),学习和曼海姆(5哈尔曾和Hooper [],6]。最后,请注意,这个计算确定了宇宙射线与火球质子通量。

伽马线暴的粗略预测通量是由(9),,或 如果一个标识质子与中子通量逃离火球,计算应基于(16)。几乎可以肯定,这是正确的程序,如质子失去能量绝热地火球的扩张。微中子通量是大约增加了一个因素。这种更直接的方法已经被Ahlers追求et al。45]。

典型的选择的参数,和年代,每年大约100个事件预计在冰立方,通量已经挑战了(45限制)的扩散通量宇宙中微子获得一年冰立方的一半(46]。面对这些负面的结论,Ahlers et al。45)调查的依赖预测宇宙进化的中微子流量来源,以及参数描述的火球,最明显,,。虽然这些是受到电磁观测,火球的要求必须适应观察到的宇宙射线光谱,可以拉伸的预测,需要3年完成的数据工具最终排除伽马线暴银河系外的宇宙射线的来源;参见图4。另外,检测他们的中微子发射可能是迫在眉睫。

是最高的能源的GRB起源宇宙射线的挑战?回想一下,计算伽马线暴中微子通量是观察到的总能量归一化~ 3×10的银河系外的宇宙射线⁻¹⁹erg厘米⁻³,一个值是高度不确定的,因为它严重依赖于假设以上宇宙射线脚踝银河系外的起源。同时,绝对的标准化测量通量是不确定的。虽然适合光谱支持这个假设45),通过人为地将过渡到更高的能量过膝,一个可以减少能源预算的一个数量级。0.5×10的低价值⁴⁴TeV Mpc⁻³年⁻¹可以容纳一个更温和的~ 2×10⁵¹太阳质量的erg(~ 1%)进入粒子加速在单独的爆发。我们将在GZK中微子的背景下重新审视这个问题。

虽然这临时补救措施直接冲突与目前的扩散限制,冰立方有替代的可能性进行直接寻找中微子在空间和时间巧合斯威夫特和费米伽马射线爆发的卫星;其灵敏度比超过一个数量级相对于扩散搜索。在这个基本上background-free搜索,预计14日事件当冰立方与40 - 59字符串在2年的建设,甚至对宇宙射线的能量预算的最小值为0.5×10⁴⁴TeV Mpc⁻³年⁻¹。未能遵守这两个不同的和独立的搜索流量的90%置信水平47]。冰立方有可能证实或排除伽马线暴的来源在3年内最高能量的宇宙射线的操作(45]。

5.2。活跃星系

另外,如果AGN的来源,我们目前的形势下,大量的模型产生了广泛的中微子流量预测;这些范围从难以察觉的排除了冰立方数据在施工期间。因此,我们将遵循的更直接的路径产生的中微子流量TeV伽马射线观测,为超新星遗迹了。这种方法是一些受通常的警告,或全部光子可能不是介的起源;从这个意义上说,估计提供了一个上限。靠近我(星期五)活跃星系的Fanaroff-Riley岑和M 87单打出来作为潜在加速器(48,49]。钻数据提供启发性的证据可能相关性的到达方向1 ~ 10事件和岑的方向(48]。

解读TeV伽马射线观测是具有挑战性的,因为AGN的高能发射是非常变量,,很难在不同的时间比较多波长数据。我们猜测是如图5TeV通量在哪里显示的多波长发射观测岑利帕里编制(50]。

代表一个信封的观察显示的TeV通量。(1)档案的观察TeV排放岑新南威尔斯Narrabri镇的收集了在1970年代早期的光学强度干涉仪的悉尼大学51- - - - - -53]。来源的数据显示变化的一年。(2)观察HEGRA [54- - - - - -59)87米。我们攀登87米的通量在距离16 Mpc岑A HEGRA不同阈值的调整后,悉尼的实验中,我们得到相同的源相当于87 M,岑约7×10的⁴⁰erg年代⁻¹假设一个伽马射线光谱。(3),最重要的是,时均伽马射线通量从而获得非常接近的伽马射线通量岑最近观察到3 ~ 4σ由H.E.S.S.协作水平(60]。

鉴于我们获得相同的固有光度岑和M 87,我们认为他们可能是通用的星期五,可以利用这一事实构建扩散微中子通量星期五。TeV伽马射线通量的简单转换从一个普通的星期五中微子流量收益 总扩散通量密度的所有这些来源在地平线上(61年]只是相当于之和的加权距离,或 在哪里是由唯一通量。我们执行通过假设星系是均匀分布的。这个评估

微中子通量等单一来源显然是小岑:重复计算幂律谱在2.0和3.0之间,我们获得一个通用的中微子探测器有效的子区域1公里²每年,只有0.8到0.02事件。扩散通量产生一个更舒适的事件每年0.5至19个中微子。考虑来源3 Gpc,或订单0.5的红移,可能是保守的。扩展以外的来源,考虑到其可能的进化,可能增加通量3倍左右。

6。中微子从GZK交互

不管银河系外的宇宙射线的来源是什么,宇宙发生的通量的中微子来自宇宙射线的交互与宇宙微波背景(CMB)。GZK以内由源位于宇宙距离,GZK中微子分回到subdegree精度。GZK中微子通量的计算相对简单,和它的大小很大程度上取决于宇宙的总能量密度;和之前一样,银河的交叉到银河系外的组件是关键参数。最近的计算(62年)如图6。同样重要的是要认识到,最终状态产品通过π介子衰变,GZK中微子是伴随着电子通量,正电子,射线快速级联低能量在宇宙微波背景和星际磁场。电磁级联与最大GeV-TeV能源地区的发展。这里,电磁级联的总能量是受到最近Fermi-LAT测量银河系外的扩散射线背景(63年]。

冰立方EeV能源性能的增加了冰立方的可能性来检测GZK中微子。我们预计2.3事件3年的运行完成冰立方探测器,假设图中的最适合6和4.8事件的最高流量符合费米约束。

在整个讨论中,我们假定最高能量的宇宙射线是质子。实验不同意的复合粒子电动汽车。对下面的化学成分就超出了GZK截止,中微子在宇宙发生的最重要的贡献是预期。在任何情况下,不确定性的推断proton-air交互截面,弹性,并从加速器的多重性辅助测量空气淋浴的高能量的特点是大到足以破坏化学成分(上的任何明确的结论64年]。因此,针对这些自相矛盾的结论,这些实验粒子物理学最有可能说明没有足够获得一个明确的结果。专用的实验在LHC可能解决这一问题,制约了中央的淋浴模拟成分组成。

7所示。评论科学的中微子“望远镜”

我们已经强调了冰立方的潜在揭示了宇宙射线的来源;这个目标显然是最重要的,因为它集的规模探测器。冰立方科学包括其他优先事项。(1)至于传统天文学,中微子天文学家观察天空中微子穿过大气层。这是一个诅咒和祝福;宇宙射线产生的中微子的背景与大气的相互作用提供了一个核束校准仪器的必要条件。它也给我们一个机会去做粒子物理。尤其独特的背景大气中微子束的能量范围覆盖区间TeV,能量不是触手可及的加速器。宇宙可能存在更高的能量束,但大气梁是保证。冰立方将收集数据集订单一百万中微子超过十年的科学潜力,只是被我们自己的想象力所束缚。(2)通过一大通量MeV-energy银河超新星产生的中微子在一段时间内的秒会发现过多的背景计数率在所有个人光学模块65年]。虽然只有一个计数实验,冰立方将测量中微子破裂的时间剖面附近的星系的中心与统计约一百万事件,相当于2-megaton探测器的灵敏度。(3)冰立方将搜索中微子从暗物质粒子的湮灭的引力被困在太阳和地球的中心(66年]。在寻找暗物质通用质量弱相互作用粒子(WIMPs)与spin-independent与普通物质相互作用,冰立方只与直接检测实验[竞争67年如果懦夫质量足够大。spin-dependent交互,冰立方已经改善了最好限制spin-dependent懦夫截面由两个数量级(68年,69年]。

冰立方建设和其他高能中微子望远镜主要是出于他们可能会打开一个新窗口使用中微子在宇宙宇宙使者;更多关于这将是其它地区的谈话。冰立方实验,然而,出现在美国路线图粒子物理学(70年]。费米子的最轻和最弱相互作用的粒子,中微子占领一个脆弱的角落的标准模型,和一个可以现实地希望他们将显示第一个和最引人注目的签名的新物理。

除了其潜在探测暗物质,冰立方的粒子物理的机会包括以下71年]。(1)寻找统一的签名粒子的相互作用,其中可能包括重力TeV规模。在这种情况下,中微子接近TeV能量相互作用的引力大截面,类似于夸克和轻子;这增加产量巨大的签名一个中微子望远镜,包括黑洞的可能,生产(72年]。(2)中微子振荡的搜索修改而导致的非标准[中微子交互73年]。(3)寻找风味变化或依赖资源延迟的中微子探测宇宙距离作为量子退相干的签名。(4)寻找等效原理的故障由于nonuniversal交互与中微子的引力场与不同的味道。(5)同样,寻找故障产生的洛伦兹不变性的不同限制速度的不同口味的中微子。的能量TeV和大量的秩序电动汽车或更少,甚至大气中微子观测到冰立方达洛伦兹的因素或更大。(6)搜索的粒子发射宇宙弦或任何其他拓扑缺陷或重宇宙残骸在早期宇宙中创建。有人建议,他们可能最高能量的宇宙射线的来源。(7)nuclearites寻找磁单极子,球等。

冰立方的DeepCore升级大大延长冰立方的科学潜力作为大气中微子探测器。它将积累大气中微子数据覆盖第一个20 GeV附近振荡浸以前所未有的统计数据。其仪器的体积是10 Mton秩序。与6附加字符串检测密集(7米)高的量子效率光电倍增管深埋在冰立方,DeepCore使用周围的冰立方字符串作为否决为了观察包含事件的追踪;参见图7。已经表明,事件统计数据足以确定质量等级至少90%的置信度假设当前最佳振动参数的值(74年]。一个积极的结果,然而,需要充分了解系统误差的测量,,但更现实的看法是,我们应该问的问题有多少额外的字符串,DeepCore内部署,需要执行一个明确的决心。这是一个正在进行的工作,不仅基于模拟,而且在DeepCore数据已经取得的证据水平在10 ~ 100 GeV大气振荡,也就是说,在更高的能量比以往的观察。

层次结构背后的物理测量是一样的长基线实验(75年];关键是测量地球与角相关的重要影响控制之间的转换和。有效的混合角在two-flavor框架是由物质 +(-)的标志是指(反)中微子。是地球的电子数密度,,电子部分和地球内部的密度,分别。关键的数量是;它决定了质量等级标志。中微子能量的共振条件满足订单15 GeV数千公里的基线研究大气中微子实验。DeepCore扩展了冰立方的阈值能量。两个消失的μ中微子和τ的外观和电子中微子可以观察到。

在地球物质的存在影响,中微子(反中微子)振荡概率是增强如果层次结构是正常的(倒)。长基线探测器,与冰立方不同,测量二级μ介子的电荷,从而选择与每个事件相关的迹象在以前的方程。的层次结构是由简单的通道,中微子和反中微子,信号增强的影响问题。大的价值和足够的统计,最近观察到的几个实验的大小术语可以测量,即使没有歧视。这是原则上可能与DeepCore [74年]或一个非常温和的扩展(考虑到成本的额外字符串部署在冰是1.2美元,包括物流成本),但无法保证,直到测量的分类学已完全理解这个新探索的能量范围。

8。中微子望远镜:检测方法

中微子的探测的口味很重要分离扩散外星大气中微子。中微子从一般的宇宙加速器产生的中微子π介子衰变的外加剂::= 1:2:0。在宇宙的基线,中微子振荡转换比例为1:1:1,因为大约一半的转换为。

中微子望远镜利用相对较大的中微子截面和μ介子范围以上TeV能量实现探测效率达到预测点源和扩散通量以前讨论的。同时,检测和中微子是不容忽视的;详细情况了(13]。背景从大气中微子低得多和比、能源的决心优越,因为中微子事件完全,或者至少部分,包含在探测器。对于一个一个有限采样部分的灾难性的能量损失二级子的轨道。最后,两半球,它们可以被检测到,将进一步讨论,中微子不被地球吸收,他们只是低能量级联。

冰立方通过观察切伦科夫辐射探测中微子中微子产生的带电粒子之间相互作用的内部或附近的探测器。携带电荷电流相互作用产生一个轻子,平均来说,中微子能量的50%在高能量GeV 80%;其余的能量释放的形式强子淋浴。二次轻子和强子淋浴产生切伦科夫辐射。在中性线电流的相互作用中,中微子转移它的能量核目标的一小部分,产生一个强子淋浴。冰立方就可以区分中微子风味的基础上拓扑的探测器,如图8。有两种基本拓扑:跟踪和“瀑布”,和中性线电流交互味道。冰立方的规模,瀑布大约点光源的切伦科夫光。PeV能量及以上,额外的拓扑中,所谓double-bang事件,当一个相互作用产生一个级联,随后衰变产生第二个级联。在PeV能量,一个轻子旅行数百米之前衰减;这决定了级联之间的距离。

还中微子望远镜测量中微子能量。μ介子范围,在公里TeV能源数万公里EeV能量,生成淋浴沿着轨道通过轫致辐射,对生产、光致交互。产生的带电粒子的来源是额外的切伦科夫辐射。因为μ介子的能量降低沿轨道,也中等阵雨的能量减少,的距离跟踪相关的切伦科夫光可以引发PMT逐渐减少。光的几何池周围的μ介子跟踪,因此,半径一公里锥逐渐减少。在第一公里,高能子通常失去能量几阵雨的初始能量的十分之一。锥的初始半径是淋浴的半径与子能量的10%。在低能量下数以百计的GeV和少,μ介子变得最小电离。

因为μ介子的随机性质的能量损失,观察之间的关系(通过切伦科夫光)能量损失和μ介子能源不同μμ介子。子能量探测器可以决定,除此之外,不知道多少μ介子旅行(和它失去了多少能量)在进入检测器;一个展开的过程需要确定根据观察到的μ介子中微子能量的能量。相比之下,对和,探测器是一个总能量量热计和能源优势的决心。

不同的拓扑结构各有优点和缺点。从交互,μ介子的长杠杆臂,数万公里在非常高的能量,使得μ介子方向(和中微子方向)确定准确的角分辨率在线比0.5度。优越的角分辨率可以达到选定的事件。对点源的敏感性,因此,优于其他味道。的缺点是大背景大气中微子sub-PeV能量和宇宙射线μ介子的能量和间接测定中微子的能量从抽样推断的能量损失μ介子凌日时探测器。

的观察和口味代表显著的观测的优势。他们发现北半球和南半球。(这也是如此1 PeV能量过剩,急剧下降的背景大气谱变得可以忽略不计。)在Tev能量及以上,大气的背景低一个数量级,几乎没有大气。在更高的能量,μ介子腐烂,大气的来源、不再衰减和相对罕见K-decays成为背景的主要来源。此外,由于中微子事件完全,或者至少部分包含在检测探测器体积,中微子的能量是由总吸附量热法。一个可以建立单个事件的宇宙起源证明达成的能量不能被大气起源的μ介子和中微子。最后,不被地球吸收77年]:在地球上产生二次交互较低的能量,直接在中性线电流相互作用或通过生产的二次轻子衰变充电电流交互。高能因此级联到几百的能量,地球变得透明。换句话说,他们发现与降低能源但不吸收。

尽管瀑布几乎是点状,他们不是各向同性但椭圆长轴与事件中微子方向保持一致。这反映在光模式发现,尤其是在详细的光子信号采样的光学传感器。而级联事件的一小部分可以重建的准确性程度(78年),精度不如伸手事件。

以上能量大约在冰,PeV行分钟效应降低了轫致辐射的截面和双生产。在上面的能量电动汽车、电磁淋浴开始伸长,达到约80米的长度电动汽车(79年]。在这些能量,光致交互发挥作用,甚至电磁淋浴将强子组件,包括二级μ介子的生产。

深入讨论了中微子探测、能源测量和分离,味道和详细引用,看到冰立方初步设计文档(2,13]。

第一近似,中微子是发现当他们内部互动的体积。路径的长度穿越在一个中微子探测器体积内天顶角是由探测器的几何。探测到中微子如果探测器体积内的相互作用,也就是说,在仪器的距离。的概率是 在哪里是冰的平均自由程的中微子能量。在这里g厘米⁻³冰的密度,阿伏伽德罗常数,neutrino-nucleon截面。一个中微子流量每厘米(每GeV中微子²每秒)穿过探测器能量阈值和横截面积面对入射电子束将产生 事件过了一段时间后。“有效”探测器也是一个天顶距的函数。它不是严格的几何截面的体积面对传入的中微子,因为即使中微子互动之外的体积内可能产生足够的光探测器探测到。在实践中,作为这一事件的函数确定中微子和天顶角方向full-detector模拟,包括触发器。

这种形式适用于包含事件。μ子中微子,任何生产二次μ介子中微子到达探测器(和有足够的能量来触发它)将被检测出来。因为旅行μ介子公里TeV PeV能源能源和数万公里,中微子可以检测到外部的体积;替换(获得的概率是26): 因此, 在这里,子的范围取决于它的能量损失。完整的通量的表达式全身的探测器是由一个卷积的μ介子中微子频谱的概率产生一个μ介子到达探测器(4- - - - - -6]: 额外的指数因子的吸收占地球的中微子沿弦的长度在天顶角。吸收变得很重要厘米²或GeV。粗略估算,函数可以近似 在EeV能源,增加减少到只有。显然,高能中微子更容易被发现,因为能量的增加横截面和子范围。

τ中微子可以观察到,他们生产的轻子达到检测卷在其一生。在(26),取而代之的是 在哪里,和是质量,有生之年,分别和能源的τ。τ的衰减长度线性增长与能源和实际上超过1 EeV附近的μ介子的范围。在更高的能量,最终τ范围由灾难性的交互,就像μ介子,尽管减少截面的一个因素。

τ触发探测器,但跟踪和(或)淋浴他们产生难以区别于那些由μ介子和电子中微子。是显而易见的最初的中微子交互和随后的τ衰减必须包含在探测器;立方千米检测器,这种情况发生的中微子能量从几PeV PeV几个10。它也可以识别只有互动的探测器,或衰变的探测器。

9。第一公里尺中微子探测器:冰立方

公里尺中微子探测器的基本原理是,他们的灵敏度足以揭示一般的宇宙射线源与中微子能量密度与能量密度的宇宙射线(27,28和介TeV伽马射线33,34]。虽然TeV伽马射线天文学已经成为一种成熟的技术,探索多波长机遇的薄弱环节之前的观察需要探测器的中微子公里规模;这将是展示实际的讨论潜在的宇宙射线的来源如下。一系列的第一代实验(81年,94年)表明,高能中微子与~ 10 GeV能源及以上可以通过观察发现切伦科夫辐射产生的次级粒子在中微子交互大量高度透明的冰块或水与晶格的光电倍增管检测。建设的第一代探测器,在地理南极冰立方,是2010年12月完成95年];参见图7。

冰立方由80名字符串每个检测60英寸光电倍增管间距由17 m / 1公里的总长度。最深的模块位于深度2.450公里,仪器免受宇宙射线的大背景在表面大约1.5公里的冰。字符串排列在等边三角形的顶点,125。插装的探测器体积是一立方千米的黑暗,高度透明,无菌南极冰。放射性背景由工具部署到这种自然冰。

每一个光学传感器由一个玻璃球包含光电倍增管和电子板的数字化信号局部使用车载电脑。数字化信号给出了全球与残差精确时间戳不到3 ns和随后传播到表面。处理器在表面不断收集这些带时间戳的信号光模块;每个独立的功能。数字消息被发送到一个字符串处理器和一个全球性的事件触发。他们随后发出的切伦科夫模式分为二级子,或电子和τ淋浴,揭示父母中微子的方向(96年]。

基于数据与40个59的字符串,在施工期间预期完成冰立方探测器的有效面积增加了一个因素对预期[2到314]。中微子收集地区预计将增加与改进的校准和优化软件工具的开发86 -字符串探测器,已操作稳定在2011年5月以来的最终配置。已经达成的比0.5度角分辨率高的能量,重建也优于预期。

类似的探测器,最终可能比冰立方更敏感,计划部署在深透明地中海的水(97年]。

10。KM3NeT

加速器的宇宙射线产生中微子流量有限的能源大约5%的最大能量的质子或原子核(见(2))。银河中微子的来源,甚至是未知的PeVatrons,我们因此认为中微子光谱与截止(cf。14)在几至大约100伏特的电压。这些中微子因此需要优化的敏感性的检测TeV范围。特别是大气μ介子背景限制了中微子望远镜的视野在这些能量向下的半球。

第二个公里尺中微子望远镜在北半球,因此,有必要观察银河系中心和最大的星系飞机或的一部分,一般来说,给予完整的天空覆盖中微子天文学。天空覆盖在银河冰立方的坐标和Mediterranean-based望远镜显示在图9。

跟进DUMAND的开创性工作,几个中微子望远镜项目已开始在地中海在1990年代(见上图)。2008年,法国海岸附近的ANTARES探测器的建设从土伦已经完成。仪器体积百分之一的立方公里,心大星(98年,99年)有大约相同的有效面积阿曼达,目前是最敏感的北半球的高能中微子天文台。它证明了中微子在深海探测的可行性,提供了丰富的技术经验和深海组件的设计方案。

下一步将是建设multi-cubic-kilometer中微子望远镜在地中海,KM3NeT。其技术设计(One hundred.]阐述了欧盟资助项目(FP6设计研究和FP7预备阶段)之下。已取得重大进展,特别是关于可靠性和成本效益的设计。虽然最初的目标是减少仪器的价格标签一立方千米水250美元,现在的计划是建设6公里³对于这个金额。许多新技术发展的一个典型的例子是数字光模块,它包含31个3英寸光电倍增管,而不是一个大的管(见图10)。优势是三倍的光电阴极面积/光学模块,光电阴极的细分允许一个干净的识别重合的切伦科夫光子,一些定向灵敏度,减少渗透者的总体数量和连接器,它价格昂贵,而且容易失败。光电倍增管信号超过噪声级,time-over-threshold信息将被数字化和时间上电子模块放置在光学模块。通过光学纤维,这些信息被发送到岸上,数据流将过滤网上活动的候选人。

KM3NeT将包括几个100年垂直结构(检测单位)载有超过10 000光学模块。检测单元固定在海床上无谓和被淹没的浮标保持垂直。光学模块之间的垂直距离约40米,和之间的水平距离检测单位将在100米和180米之间,取决于正在进行的优化研究的结果。探测器将建在两个或两个以上的大块,相邻的网站或在不同地点;候选人地点已确定法国土伦/附近(ANTARES站点旁边),附近的分支头目Passero(西西里岛东部),和附近的皮勒斯(伯罗奔尼撒半岛以西的)。

由于深海水流的阻力,检测单位将变形和横向偏离了几个10米的名义垂直排列。声三角、倾斜仪和指南针将用于监视每个光学模块的位置和姿态的精度符合时机解决1 ns。

保守估计的KM3NeT敏感性与一个点光源通量(见图11)表明,该探测器将更敏感比冰立方大偏差范围。微中子通量的灵敏度也很高的否决;特别是,中微子的超新星遗迹RX j1713 - 3946应该检测在五年内如果纯粹的γ辐射这个对象是强子的起源。

KM3NeT建设的第一阶段已经迫在眉睫。约50美元的资金可用,并开始施工预计为2013。讨论下一个选项是把第一阶段的测量中微子质量层次结构(见部分7)。对应的案例研究工作,并受其结果,与intermodule密集阵列的安装距离远小于那些表示之前可能被考虑。

11。结论:敬请期待

总之,冰立方设计的统计显著性检测宇宙中微子的宇宙射线5年。在这里,我们提出,基于多波长信息从地面伽马射线望远镜和宇宙射线实验中,我们的确是接近超新星残骸,伽马线暴(如果它们是宇宙射线的来源),和GZK中微子。讨论的前沿的关键作用改善了伽马能谱数据候选人宇宙射线加速器。CTA(之间的协同作用101年)、冰立方和KM3NeT以及其他下一代中微子探测器可能会为发展提供肥沃的土壤。

经过几十年的发展,冰立方和KM3NeT创造机会发现如下图所示11。我们回忆起(13),设置光子的通量水平预计从超新星遗迹如果他们确实是银河宇宙射线的来源:10⁻¹²~ 10⁻¹¹TeV厘米⁻²年代⁻¹1 kpc的来源。如前所述,已明显减少实验做观察候选人宇宙加速器在这个通量水平。从图可以看出11,微中子通量减少一两倍,冰立方已经达到可能的检测数据的敏感性在构建阶段。能谱的细节和来源的角度扩展(成为一个问题,因为冰立方的分辨率提高了不到0.5度),发现有可能几年后,正如前面说。

相同的参数可以为银河系外的来源为场景中已经详细讨论了grb最高能量的宇宙射线的来源。另外,图12显示当前的中微子流量上限附近AGN作为他们的距离函数。也显示TeV伽马射线发射相同的来源;除了岑和M 87μ中微子限制已经达到的水平TeV光子通量。这是一个有趣的事实正如前面强调的,一个期望的近似均分宇宙射线,伽马射线,从宇宙射线加速器中微子通量。可以在图中所示的资源总和扩散通量,而结果是,除以,TeV厘米⁻²年代⁻¹老⁻¹,或约~ 10⁻⁸TeV厘米⁻²年代⁻¹老⁻¹中微子的味道。这被称为Waxman-Bahcall绑定;流量基本上是等于在银河系外的宇宙射线通量观测。

在图13,我们从目前的实验显示,限制以及冰立方和未来的实验。之前介绍的基准通量高于大气中微子能量超过100电子伏特的背景,和一个输入的能量范围后冰立方探测器完成一个操作。事实上,候选人“宇宙”中微子事件出现形式分析,虽然他们的起源还未确定。在任何情况下,我们正在进入一个关键时刻中微子天文学。

确认

这项研究是由美国国家科学基金会支持部分资助下。opp - 0236449层和物理层- 0236449;由美国能源部批准号de - fg02 - 95 er40896;威斯康辛大学研究委员会与基金颁发的威斯康辛州校友研究基金会,由亚历山大•冯•洪堡基金会在德国。KM3NeT工作已经被欧盟支持通过KM3NeT设计研究(011937年合同)和FP7 KM3NeT预备阶段(212525年格兰特)之下。

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