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开启探测宇宙的新窗口：大型中微子探测阵列GRAND
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中微子天文学是继引力波天文学取得重大发现之后另一个认识宇宙的窗口，必将开辟人类认识宇宙的又一新纪元。
GRAND实验是什么？
“大型中微子探测阵列（Giant Radio Array for Neutrino Detection，简称GRAND）”，旨在利用低频射电方法探测来自宇宙深处的高能中微子和高能宇宙射线。此实验是借助多年在天山地区建设和运行“宇宙第一缕曙光探测”望远镜21CMA发展的低频射电技术、在中法两国科学家十年合作的高能宇宙射线探测实验TREND取得圆满成功的基础上，由全球十多个国家的五十多位科学家共同发起的国际合作科学实验。国际合作组发言人是：法国巴黎第六大学O. Martineau博士，法国巴黎天体物理研究所K. Kotera博士和中国科学院国家天文台武向平院士。GRAND预计于2030年前后建成，由工作在50-200 MHz低频波段的20万只小天线组成，总面积约20万平方公里。目前，GRAND前期实验已经在青海冷湖地区展开。
该项目的英文版白皮书“The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND): Science and design”在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2020年63卷第1期发表[1]。
GRAND的工作原理
每时每刻，都有成千上万个来自宇宙深处的“幽灵粒子”中微子轰击地球。当中微子和地球岩石发生作用时会产生寿命很短的τ轻子，而逃逸出地壳并衰变后的次级粒子将产生大气簇射，与利用低频射电手段观测宇宙射线的原理相同，我们可以通过低频无线电手段探测到这些短暂的射电脉冲，从而捉捕宇宙中的τ中微子。
什么是中微子？
中微子是一种基本粒子（费米子），它们个头很小，质量近乎于零且几乎不与其他物质相互作用，因此极难被捕捉到，号称宇宙“隐身人”。
另一方面，正是由于它们不轻易发生反应，中微子可以带来遥远天体的宝贵信息，让我们看得更“远”、更“深”，是探测极限宇宙的特殊信使。
中微子作为中性粒子（不带电粒子）不受磁场影响且仅由重子反应而来，是高能天体物理学的重点研究对象。
为什么要探测超高能中微子？
GRAND的科学驱动——丰富多样的科学
GRAND项目有丰富的科学目标，除了探测高能宇宙射线和中微子，还可以进行其他多方面的研究，并推动信息、通信等高技术的发展。
超高能中微子天文学
GRAND对弥散的超高能中微子通量具有无与伦比的灵敏度：10−10 GeV cm−2 s−1 sr−1（当能量为1018 eV时），将确保探测到超高能宇宙中微子。
超高能宇宙射线和伽马光子
GRAND将观测超高能宇宙射线和伽马光子，其孔径将是目前Pierre Auger Observatory的十倍以上。其高效的统计特性和重构性能将解决宇宙射线小尺度各向异性、宇宙射线光谱末端的化学成分。与目前的实验相比，GRAND对超高能光子有更高的灵敏度。
基础中微子物理学
通过探测能量高于1018 eV的中微子，GRAND将以比粒子加速器高几个数量级的能量探索基本粒子物理世界，可以对标准模型进行严格的检验并尝试发现新物理。
射电暴天文学
GRAND将以独特的方式为测量快速射电暴和大型射电脉冲做出贡献。由于GRAND不是相控天线阵列，因此可以充分利用整个天线的视场，实现大视场观测。
宇宙学
GRAND也将为宇宙科学其它领域做出贡献，特别是收集“宇宙黎明”和“电离时期”的信息。
展望
建成后的GRAND将达到极高灵敏度和低于1度的角分辨率，确保其在最保守的理论框架下依旧实现对于能量在1017 eV及以上的中微子的成功探测，开创中微子天文学！至2025年，预计部分完成的GRAND将已经具备足够的竞争力，可探测到第一批超高能中微子。GRAND同时将是世界上最大的超高能宇宙射线及光子探测设备，成为拓展人类对于超高能宇宙认知的重要里程碑。此外，GRAND将对中微子基础物理，射电暴天体物理，及宇宙学的研究做出重要贡献。
原文信息
[1] J. á lvarez-Muñiz, R. Alves Batista, A. Balagopal V., J. Bolmont, M. Bustamante, W. Carvalho Jr., D. Charrier, I. Cognard, V. Decoene, P. B. Denton, S. De Jong, K. D. De Vries, R. Engel, K. Fang, C. Finley, S. Gabici, Q. B. Gou, J. H Gu, C. Guépin, H. B. Hu, Y. Huang, K. Kotera, S. Le Coz, J.-P. Lenain, G. L. Lü, O. Martineau-Huynh, M. Mostafá, F. Mottez, K. Murase, V. Niess, F. Oikonomou, T. Pierog, X. L. Qian, B. Qin, D. Ran, N. Renault-Tinacci, M. Roth, F. G. Schröder, F. Schüssler, C. Tasse, C. Timmermans, M. Tueros, X. P. Wu, P. Zarka, A. Zech, B. T. Zhang, J. L. Zhang, Y. Zhang, Q. Zheng, and A. Zilles, The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND): Science and design, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 219501 (2020), http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-018-9385-7
《中国科学: 物理学 力学 天文学》(中文版)和SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy (SCPMA, 英文版)是中国科学院主管、中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的综合性学术刊物, 均为月刊。英文版SCPMA被SCI, EI, ADS等数据库收录, 2018年影响因子为3.986, Q1区。中文版被ESCI、Scopus、《中文核心期刊要目总览》、《中国科学引文数据库》等收录, 以出版热点专题和专辑为主。中英文为两本完全独立的刊物。订阅《中国科学: 物理学 力学 天文学》微信公众号, 手机同步关注最新热点文章、新闻、科技资讯, 请添加微信号SCPMA2014或扫描下方图片关注.
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