中法合作高能宇宙線和宇宙中微子探測望遠鏡投入運行

　　作為目前國內工作在最低頻率（頻率50－200MHz）的大型射電望遠鏡陣列，21CMA利用其獨特的技術優勢和地理位置，在主攻首要科學目標“宇宙第一縷曙光探測”的同時，探索在低頻射電波段觀測宇宙射線繼而捕獲宇宙τ中微子的可能性，近期建成了國內首個低頻射電高能宇宙射線和中微子探測望遠鏡TREND（Tianshan Radio Experiment for Neutrino Detection）。TREND在2010年成功探測到大量宇宙射線事例，重建了宇宙射線徑跡，并經安置在21CMA基地的閃爍體粒子探測器予以證實，首批觀測結果近期發表在《天體粒子物理》（Astroparticle Physics）上。這是世界上少有的利用非高能探測器手段成功捕獲宇宙射線的實驗，同時，TREND是國內第一臺以低頻無線電方式探測宇宙τ中微子的望遠鏡，開辟了研究宇宙射線和宇宙τ中微子的一種嶄新的、經濟的和有效的新途徑。

　　長期以來，人們研究高能宇宙射線都是借助于探測器手段（觀測切倫科夫光或熒光），為了確定宇宙射線的能量和方位，需要在高海拔地區大面積的布設探測器（如西藏的羊八井），費用高且維護困難，探索新的宇宙射線探測技術一直是科學家的愿望。早在上個世紀六十年代人們就意識到，宇宙射線進入地球時會發生大氣簇射，其次級粒子的衰變會產生正負電子對，當這些電子以近乎光速運動時，由于地球磁場所導致的同步輻射將產生微弱的電磁輻射，輻射能量落在20－100MHz的低頻附近，表現為該波段一個納秒級無線電脈沖。所以，只要能夠實現高時間分辨率的低頻無線電觀測并識別各種干擾信號，就有可能實現宇宙射線的無線電探測。這是因為所有的方法都是通過探測宇宙射線的次級效應來重建原初宇宙射線特性。

　　雖然低頻無線電技術已經非常成熟，但直到近些年，隨著高速數字化技術（ADC）和計算機技術的迅猛發展，才使得人們有可能真正有效實現宇宙射線的無線電探測和事例重建。位于德國的LOFAR/LOPES、荷蘭的LOFAR/LORA和法國的CODALEMA是近年間專門為實現宇宙射線的低頻無線電探測所建立的幾大實驗設施，均成功驗證了此技術方法的可靠性和有效性。

　　和已經存在的專用宇宙射線低頻無線電探測設備CODALEMA、LOPES和LORA實驗相比，21CMA有其無法代替的特殊地位和優勢：（1）21CMA由10287架天線組成，基線10公里，規模遠比其它設備大，可以提供更準確的時間分辨率，從而提供高精度的宇宙射線方向定位；（2）21CMA位于海拔2700米的天山深處，方圓幾十公里被海拔3000米以上堅實巖石組成的天山山脈環繞，僅南方山脈就構成大于2萬立方公里的天然靶體，為中微子提供了有效的作用截面。所以，21CMA除了被用作宇宙射線探測器外，將是十分理想的宇宙τ中微子探測器。也就是說，21CMA具備探測宇宙射線和宇宙τ中微子的雙重功能。

　　τ中微子是中微子家族中最晚發現的一個成員，十年前才在加速器上被捕獲，而人們至今未能在宇宙中看到τ中微子！由于其很小的相互作用截面，人們必須建立足夠大的靶體才有可能觀測到τ中微子的作用。此外，即使τ中微子和巖石作用，其次級粒子壽命很短，只有那些剛好逃逸出山體的τ輕子衰變后的次級粒子（如電子）才能被觀測到。和利用低頻射電手段觀測宇宙射線的原理相同，這些τ中微子的次級粒子τ輕子衰變所產生電子的同步輻射將給人們探測宇宙中τ中微子提供極佳的機會。特別是科學家不會擔心無法區分τ中微子和宇宙射線：凡是來自天空的就是宇宙射線，而來自山體方向的肯定就是中微子！

　　能否在21CMA首先實現宇宙射線的探測將是后續能否實施τ中微子觀測的前提。2008年，一個由中國和法國六個研究機構約20名科研人員組成的研究小組成立，特別包括了中科院高能物理研究所長期從事宇宙射線實驗的專家和法國專門從事CODALEMA實驗的專家，項目依托21CMA基地，中方學術帶頭人是“宇宙第一縷曙光探測”項目首席科學家武向平研究員，法方學術帶頭人是中法粒子物理聯合實驗室（FCPPL）法方主任Martineau-Huynh研究員和Saugrin博士，他們也都是國家天文臺聘用的外籍科學家。經過兩國科研人員兩年間幾十次現場實驗，完善了數據接收和采集系統，并多次使用人工方式產生干擾源，檢驗事例重建的可靠性。2010年初，高能物理研究所的合作者又在21CMA基地安置了間隔約200米的3臺閃爍體探測器，用于進一步的事例交叉證認。

　　2010年間，21CMA基地把第二套接收系統開辟為低頻宇宙射線和中微子探測專用，另外架設了50套“蝴蝶”天線，接收波段覆蓋50－100MHz，時間分辨率5納秒，在測試的一個月里就發現了多個有效事例。TREND實驗初期結果（28個完全確認的事例）在Astroparticle Physics發表(arXiv:1007.4359)。雖然首篇論文報道的是宇宙射線實驗結果，但其深遠的意義在于，TREND將成為天山深處的宇宙τ中微子探測器或中微子望遠鏡，如果未來把21CMA天線用作中微子望遠鏡，則規模將是空前的。至此，我們已經擁有了第一部可能以低頻射電方式探測宇宙中微子的望遠鏡。

　　TREND實驗是“宇宙第一縷曙光探測”的子課題，得到了國家科技部973項目、國家基金委海外青年科學家基金和中國科學院海外青年科學家計劃的支持。國內主要參加單位是國家天文臺、高能物理研究所和中科院研究生院，法國主要參加單位是巴黎六大、南特大學和法國國家科學研究中心。在實驗過程中，高能物理所所長陳和生院士、國家天文臺副臺長郝晉新和歐洲核子研究中心CERN國際合作部主任Pauss教授等親自到21CMA基地慰問參加實驗的中法兩國科學家。

　　TREND實驗中方學術帶頭人是中法聯合“起源”實驗室LIA的中方主任，法方學術帶頭人是中法粒子物理實驗室FCPPL的法方主任。TREND實驗的成功是兩個聯合實驗室合作的典范，將為推動中法天體物理和粒子物理交叉學科的合作和發展起到十分積極的作用。

21CMA的部分東－西天線陣列（3km）

安置在21CMA陣列里的閃爍體探測器

TREND“蝴蝶”天線（三角形）圍繞21CMA的分布圖

TREND初期實驗發現的宇宙射線事例天空方位圖