超新星中微子.pdf

中微子研究与进展 超新星中微子 黄明阳 1，2 胡立军 3 郭新恒 4 （1 中国科学院高能物理研究所 100049；2 东莞中子科学中心 523803； 3 沧州师范学院机械与电气工程学院 061199；4 北京师范大学核科学与技术学院 100875） 一、超新星中微子发展史 超新星分成Ⅰ类和Ⅱ类。最近几十年，物理学家发展了 根据中外天文学史专家对东方、阿拉伯和欧洲 大量古代记载的分析，在望远镜发明之前，人类历史 很多不同类型的超新星模型，同时关于超新星在恒星演 化过程中的作用与影响的研究也在逐渐完善。 上记录可靠的超新星共有七颗，它们出现的时间和 1966 年 , 天体物理学家柯盖德（S. Colgate）和怀 星座分别为：185 年在半人马座、393 年在天蝎座、 特（R. White）发现中微子可能在超新星的核坍塌爆 1006 年在豺狼座、1054 年在金牛座、1181 年在仙后 炸中起着关键作用，它们带走绝大部分超新星的引力 座、1572 年在仙后座、1604 年在蛇夫座。这七颗超 束缚能，剩余能量则储存在恒星的剩余部分。1985 年， 新星在我国均有记载。公元 185 年超新星（SN185） 天体物理学家威尔逊和核物理学家贝特提出超新星震 是人类历史上记载最早的超新星，全世界唯一的资料 荡波机制，在这个机制中，由于中微子加热，使震荡 记录在我国的《后汉书 • 天文志》中。公元 393 年超 波在延迟几百毫秒后有足够的能量，重启向外延伸的 新星出现在东晋孝武帝太元年间，也只有在我国有记 震荡，最终使得超新星得以爆炸。1995 年 , 天体物理 载。公元 1006 年超新星是历史上记载最明亮的一颗， 学家乌斯里和韦弗利用计算机模拟给出了不同质量恒 在我国、日本、朝鲜、阿拉伯和欧洲均有记载。公 星结构的详细物质分布，这对研究超新星结构有促进 元 1572 年超新星是由著名天文学家第谷在欧洲观测 作用。进入 21 世纪，随着大型计算机的发展，很多研 到的，他做了大量精细的相关研究，因而这颗超新星 究小组正在对超新星的结构、爆发机制及中微子的产 后来被命名为第谷超新星。公元 1604 年，著名天文 生进行二维和三维的蒙特卡罗模拟，这不但加深了人 学家开普勒在天空中发现和记录一颗肉眼可见的超新 们对超新星结构的理解，也从中发现更多的超新星中 星，这是地球上首次记录超新星爆发产生的高能宇宙 微子效应，对于超新星中微子的研究具有深刻的意义。 1987 年 2 月 23 日，一位加拿大天文学家在大麦哲 云，这颗超新星后来被命名为开普勒超新星。 19 世纪，由于天文望远镜的发展，人们发现超新 伦星云中发现了一颗 5 等星，它很快就被证实是一颗超 星的区域从银河系扩大到其他星系，这为宇宙距离的 新星，立即在国际天文界引起了轰动。这颗超新星很 测量提供了新方法。 快被命名为 1987A，它是 400 年来最亮的一次超新星爆 20 世纪上半叶，随着天体物理学家在理论与探 发，是 20 世纪最大的天体物理事件之一。图 1 为哈勃 测实验方法上的不断推进，超新星天体物理学取得 长足的进展。1930 年，天体物理学家钱德拉塞卡（S. Chandrasekhar）经过精确的计算得到白矮星质量的钱德 拉塞卡极限。1932 年，理论物理学家朗道（L. Landau） 给出钱德拉塞卡极限的定性推导，提供有关超新星爆发 的最初理论依据。20 世纪三四十年代，天文学家巴德 （W. Baade）和兹维基（F. Zwicky）给出超新星这一现 代通用的科学学名。1941 年 , 天文学家闵可夫斯基（R. Minkowski）根据超新星光谱中是否存在氢吸收线，将 33 图1 SN1987A 遗迹 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 太空望远镜在 2006 年 12 月拍摄到的超新星 SN1987A 根据超新星光谱中是否存在氢吸收线，可以将超 的遗迹。超新星 SN1987A 爆发后，日本的神冈探测 新星分成Ⅰ类和Ⅱ类。在这两种类型中，每种都可以 器和美国的 IMB 探测器分别探测到 12 个和 8 个中微 依据存在于谱线中的其他元素或光度曲线的形状再进 子。这是人类第一次在地球上探测到超新星中微子的 行细分。图 3 给出了超新星一般的分类方法。Ⅰ类超 信息，开创了中微子天体物理学。 新星质量相对比较小，Ⅱ类超新星是大质量恒星（大 粒子物理标准模型表明，构成物质世界的最基本 于 8 个太阳质量）由内部塌缩引发剧烈爆炸的结果。 粒子是费米子和玻色子，其中费米子包括有 6 种夸克 大质量恒星在其核物质燃烧末期，会形成一系列同心 和 6 种轻子，而 6 种轻子中就包含有 3 种中微子。根 壳层，分别是氢、氦、碳、氖、氧和硅壳层，然后由 据现代中微子物理学理论，中微子可分为三种不同味； 于核聚变燃烧，会形成铁壳层。在形成铁壳层的核聚 它们具有微小质量 , 几乎不受引力影响；不带电荷 , 变过程中，不但不产生能量，反而吸收能量。当铁核 不受电磁相互作用的影响；只参与弱相互作用；寿命 的质量大于钱德拉塞卡极限时，电子的简并压小于物 几乎是无穷长；遥远高能天体产生的中微子在到达地 质引力的作用，星体内部平衡态会被打破，超新星所 球的漫长传播过程中 , 其路径不会因遍布宇宙的磁场 有的物质会向它的铁质核坍塌，从而形成新的平衡态， 而发生变化。中微子具有这些不同于其他粒子的特殊 这就是所谓的核坍塌超新星的开始。到坍塌的末期， 属性，使它与光子一起成为绝佳的天文学信息传播者 , 核会突然爆炸，部分重元素的壳层及它以外的物质会 是正在崛起的中微子天体物理学发展的强劲原动力。 被抛射到宇宙中，形成星际物质。 Ⅱ类超新星在其核坍塌直至自我剧烈爆炸过程中 目前中微子物理已成为高能物理、天体物理与宇宙学 会产生大量的各种不同味的中微子和反中微子，最终 研究的共同热点。 二、超新星爆发与中微子产生 会形成中子星或者黑洞。这种类型超新星爆发过程中 某些恒星在演化接近末期，亮度以十分惊人的速 产生的能量几乎就是内核的总引力能，其中产生的中 度增加着，直到突然地自我剧烈爆炸，这个过程称为 微子带走大概其总能量的 99%，而超新星爆发消耗的 超新星爆发，如图 2 所示。这种爆炸的亮度极大，所 能量大约只有 1%。如此多的中微子主要产生于两次 爆发的辐射几乎能够照亮其所在的整个星系，并可持 爆炸中，第一次爆炸持续时间仅仅几毫秒，通过原子 续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。在这段期 核俘获电子和反贝塔衰变产生大量电子中微子；第二 间内一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中 次爆炸持续时间较长，大约 10 秒，通过正负电子对 辐射能量的总和相比。超新星爆发是宇宙中既重要而 湮灭、电子 - 核子轫致辐射、核子 - 核子轫致辐射、 又壮观的物理事件，通过探测超新星爆发及产物，天 等离子体衰变、光子湮灭等 5 种类型的粒子核反应产 体物理学家和粒子物理学家可以得到很多新的物理学 氢 和天文学方面的信息。 谱线轮廓 硅 晚 期 光变曲线 0 氦 λ 2 晚期 4 0 50 极超新星 现代物理知识 超新星爆发 图3 34 λ 2 4 图2 λ 0 超新星的分类方法 0 50 中微子研究与进展 生大量各种不同味的中微子。 根据超新星中微子研究可知，超新星爆发后产生 加热 v e +n→p+e v e +p→n+e + 的各种类型中微子的亮度随时间呈指数衰减，所以中 微子产生持续时间短，但亮度大。对于超新星中微子 v e +n←p+e v e +p←n+e + 能谱的研究，现阶段主要采取蒙特卡罗方法进行模拟。 获取半径 - 国际上主要有两个研究小组给出不同的中微子能谱形 式，分别称为利弗莫尔模型和加尔兴模型。研究结果 冷却 前身中子星 表明，不同味超新星中微子的温度和能量有所不同， 中微子球 这反应了超新星核心处的温度变化情况，因而探测超 新星中微子对理解超新星核心处的物理演化有重要意 义。目前，超新星爆发机制、演化过程、中微子产生 机制都是天体物理学的研究热点，主要通过天体物理 学观测和蒙特卡罗模拟两种手段相结合进行研究。 三、超新星中微子效应 从超新星中微子产生到被地球上的探测器观测 图4 中微子在超新星内部各种相互作用 到，它们会受到多种中微子效应的影响，从而改变不 同味中微子的粒子数及相应能谱。当中微子在超新星 内核产生以后，需要经历与超新星物质的各种相互 0.6 作用，才能传播到超新星表面。图 4 描述了中微子从 0.5 子相互转换。首先，中微子产生后，中微子与中微子 之间会有弱相互作用，虽然单对中微子与中微子相互 中微子流 超新星内部到外表面的相互作用与传播过程。在这一 过程中，中微子主要经历三种效应，造成不同味中微 最后 500 千米 最后 500 千米 中微子球 中微子球 0.4 0.3 0.2 作用很小，但是由于大量中微子的存在，它们之间的 集体相互作用产生的效应就很大，这种效应被称为 0.1 中微子集体效应。图 5 是一个典型的超新星中微子 0 0 集体效应示意图，它形象地展示了距离超新星中心 1500~2000 千米的区域和中微子球（NS，10 千米）处 10 20 30 40 50 能量（MeV） 图5 中微子集体效应 不同味中微子的能流曲线。通过对比可以发现，由于 中微子集体效应的影响，不同味超新星中微子之间会 之间的转换会突然达到一个极大值，这种现象类似于 出现两次能谱交换，并且在中微子能谱交换的能量区 物理学中常见的共振现象，是由一位美国物理学家沃 间中微子流的振荡幅度相较过去在数值模拟中常使用 芬斯坦和两位苏联物理学家米赫耶夫和斯米尔诺夫共 的小混合角更大。数值计算和理论研究表明，通过探 同发现的，因而被称为 MSW 效应。最后，由于超新 测超新星中微子集体效应的不同振荡模式，有可能最 星爆发时核力阻止核坍塌产生的冲击波在超新星内部 终判定中微子的质量排序。其次，中微子在超新星内 传播，会产生震荡波效应，从而导致超新星的物质密 传播，与超新星物质之间会有相互作用，这也会对不 度分布随时间变化而变化，而且其密度会出现不连续 同味中微子之间相互转换产生影响。研究结果表明， 现象，这种效应也会对中微子的传播和不同味之间的 当中微子经历的超新星物质处于某一密度时，中微子 中微子相互转换造成影响，被称为超新星震荡波效应。 35 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 因而，中微子从超新星内部传播到外表面过程中，需 四、超新星中微子探测 自从 1987 年人类历史上第一次也是唯一的一次 要经历上述三种效应，它们都会对不同味中微子之间 观测到超新星中微子事例之后，越来越多的大型中微 的相互转换产生影响。 中微子逃离超新星束缚之后，需要经历漫长宇宙 子实验装置配备有超新星中微子探测装置。过去几十 空间传播才能到达地球表面。由于宇宙空间近似于真 年比较著名的超新星中微子探测装置有：日本的神冈 空，而且中微子不带电荷，其路径不受遍布宇宙的磁 中微子探测器、美国的 IMB 中微子探测器、俄罗斯 场影响，因而这段漫长宇宙空间传播几乎不会改变不 的 Baksan 和 LSD 中微子探测器等。近几年来正在运 同味中微子的粒子数和能量分布。但是，在中微子从 行且可以用于探测超新星中微子的探测装置有：日本 地球表面到达探测器这段传播过程中，中微子与地球 的超级神冈和 KamLAND 中微子探测器，意大利的 的物质之间会发生相互作用，不同味中微子之间的相 Borexino、ICARUS 和 LVD 中微子探测器，加拿大的 互转换会受到影响，这种效应被称为地球物质效应。 SNO 中微子探测器等。我国的大亚湾中微子实验和江 对于从不同方向到达探测器的中微子流，经历的地球 门中微子实验也有可能建立超新星预警系统和配备超 物质不同，所受的地球物质效应也不同。研究结果表 新星中微子探测装置，用于探测将来可能的超新星爆 明，在研究超新星中微子探测时，需要考虑地球物质 发的中微子。图 6 给出了大亚湾中微子实验与江门中 效应的影响。 微子实验的地理分布图。目前用于探测超新星中微子 总的来说，中微子从产生到逃离超新星，再经 的媒介主要有：水、重水、碳氢化合物等。当超新星 过漫长宇宙空间传播，到达地球被探测到的过程中， 中微子到达探测器，通过探测器的媒介时，会与媒介 会受到四种效应的影响，分别为：中微子集体效应、 中的电子、质子、氘离子、碳离子等粒子反应，产生 MSW 效应、超新星震荡波效应以及地球物质 效应。 相应的光信号和电信号，利用光电倍增管可以探测到 虽然中微子的总粒子数保持不变，但是不同味中微子 这些信号，经过分析和重建中微子反应过程，可以计 会相互转换，因而通过观测不同味中微子的事例数变 算得到被探测到的超新星中微子的事例数。 化，可以得到一些中微子混合参量和超新星爆发的信 在大亚湾中微子实验设计与建设 过程中，部分 息。另一方面，由于粒子物理标准模型中中微子质量 物理学工作者研究了利用大亚湾实验装置观测将来可 为零，处理超新星中微子传播时常常将中微子当成无 能的超新星爆发，他们模拟和计算利用大亚湾中微子 质量粒子处理，认为它们以光速传播。但是，中微子 探测器可能测量到的超新星中微子事例数的范围，并 实际上具有微小质量，并非以光速传播。因而通过探 提出利用超新星中微子测量中微子混合参量的各种可 测不同味中微子的事例数，比较超新星爆发时候的光 能性方法。大亚湾中微子实验共有 8 个探测器，采用 信号和不同味中微子信号的 到达时间，然后经过合理的 计算和推理，有可能得到中 微子绝对质量的相关信息， 同时，由于中微子参与的弱 相互作用比光子参与的电磁 相互作用力要小很多，中微 子最早离开超新星，比光信 号到达地球要早，因而超新 星中微子的探测对超新星预 警系统有重要意义。 现代物理知识 图6 大亚湾中微子与江门中微子实验分布图 36 中微子研究与进展 LAB 作为液体闪烁器的主要成分，探测器总质量约有 不同味的超新星中微子事例数也将提高 60 多倍。因而， 300 吨。LAB 是一种混合物，其主要成分是碳氢化合 利用江门中微子实验装置探测超新星中微子，不仅可 物，因而用于探测超新星中微子可能的反应通道有： 能更加精确地探测到中微子混合参量的信息，而且有 反贝塔衰变、中微子与电子反应、中微子与碳反应。 助于人们更加深入地研究超新星的构造和爆发机制， 利用合理的超新星爆发模型，详细研究超新星中微子 加深人们对超新星爆发和恒星演化的了解，同时，这 在传播过程中受到的各种作用，考虑超新星中微子探 对于判别当前几种主流的超新星理论模型具有重要的 测过程中众多的不确定因素，经过适当的模拟和合理 意义。 的计算可以得出，如果利用现有的大亚湾中微子探测 五、总结和展望 器观测一颗距离地球约 32616 光年（10 千秒差距）、 中微子是构造我们这个物质世界的“砖块”之一， 释放与 SN1987A 相近的总能量的超新星爆发，在反 也是我们认识宏观和微观世界的探针。超新星中微子 贝塔衰变通道上能探测到的超新星中微子事例数大约 的研究与探测对于了解超新星爆发机制意义重大，关 在 60 ～ 250 个之间，在中微子与碳反应通道上能探 系到恒星演化和宇宙的未来，该领域一直是粒子物理、 测到的超新星中微子事例数大约在 10 ～ 100 个之间， 天体物理和宇宙学共同的研究热点。目前，世界各地 而在中微子与电子反应通道上能探测到的超新星中微 越来越多的大型中微子实验装置配备超新星预警系统 子数目非常少，低于 5 个。通过比较探测到的不同味 和中微子探测器，期待未来的某个时候能够有机会探 中微子流的时间、数目、分布的不同，定义一些可测 测到来自遥远的超新星中微子的信息，帮助人们不断 量的、几乎不受超新星中微子不确定因素影响的参量， 深入了解未知的世界。 然后寻找这些参量与中微子的混合参量和绝对质量的 江门中微子实验是我国正在建设的大型中微子实 关系，通过测量这些参量，进而有可能得到中微子的 验，计划建立超新星预警系统和配备超新星中微子探 混合参量和绝对质量的信息。 测装置，用于探测将来可能的超新星爆发产生的中微 在江门中微子实验计划中，探测超新星中微子被 子，这对于我国超新星中微子研究是一个很好的机遇。 作为一个重要的实验目标。江门中微子实验探测器类 这不仅可以加深对超新星中微子物理的研究，得到超 似于大亚湾中微子实验，江门中微子实验采用 LAB 新星结构和中微子混合参量的信息，而且可以为基础 作为液体闪烁器的主要成分，但是其探测器总质量约 物理学研究做出更大的贡献，促进我国基础物理学研 2 万吨，远大于大亚湾中微子实验探测器，能探测到 究跻身世界前列。 封底照片说明 者们在实验室发现了一个磁感应受体蛋白，叫磁感 我们人类在沙漠和森林中之所以不会迷失方向， 应分子 MagR，这是由一个蛋白质组成的分子尺度 是因为我们有指南针帮助定向，而鸽子飞行上千里 的短棒，它能够顺着地球磁场的方向排列，跟磁铁 回到巢中，北极燕鸥、灰鲸、帝王蝶每年迁徙行程 一 样， 并 随 着 磁 场 的 变 化 而 转 动， 就 像 是 个 指 南 达数千至数万千米，它们又是怎样做到的？它们是 针，这是首个在分子尺度表现出磁铁特性的蛋白复 如何感应地球磁场的呢？我们人类可以使用 指南针 合体，这使得像鲸鱼、帝王蝶等动物以此作为“指 来进行导航，而动物们用来导航的“指南针”是什 南针”来进行长距离迁徙。这个研究发现是揭开磁 么呢？前不久在国外权威刊物《自然 • 材料》发表 感应分子机制上的一个巨大进步，有关研究还在继 了一篇由中国科研工作者撰写的名为《一个磁性蛋 续进行中。 白生物指南针》的论文解答了这个问题。这次研究 37 （李博文 / 文） 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 )