导读：王喆代表大亚湾合作组解读了2021年CPC第五期的封面文章。该文章分析了2011至2017年大亚湾实验上和引力波事件时间匹配的离线数据，根据本底和信号的实际分析，在这些引力波事件的附近，没有发现显著的中微子爆发现象，事例率和能量分布都与本底过程的随机涨落相符，给出了对应于这些引力波事件的中微子通量的上限。
在大亚湾寻找符合引力波事件的中微子
中微子和宇宙观测的大事件
公元 1006 年，北宋时期的史籍上记录了人类观测到的第一个超新星爆发事件。在这之后很长的时间，我们对天体事件的观测都是依赖于对电磁信号的观测，包括可见光、紫外线、红外线、X射线等。最近五十年，我们的深空观测技术和对天文事件的理解都有了长足的发展，其中有几次重要的事件改变了我们的认知。
二十世纪70 年代，Raymond Davis Jr. 在 1.5 km 深的地下建设了一个中微子实验装置，屏蔽了地表宇宙线本底，首次观测到了太阳内核聚变产物硼-8弱衰变产生的中微子，这也是人类第一次从实验上直接揭示了恒星燃烧的聚变过程，开启了中微子天体物理的研究。
图1，1967年Raymond Davis Jr. 在霍姆斯特克（Homestake）金矿下的中微子探测装置，在30多年里探测到来自太阳的约2000个中微子，并终于在2002年获得了诺贝尔物理学奖。
1987 年 2 月 23 日，三个地下中微子实验 Kamiokande、IMB、Baksan同时观测到了中微子事件的爆发，在不到一分钟内，实验科学家们观测到约 30 个中微子事例，远远高于其应有的本底事例率；同一天内，光学上也观测到大麦哲伦星云的一颗恒星末态的整体塌缩所引起的最后的闪耀，这是一个 II 型超新星爆发事件，被命名为 1987A。中微子只参与弱相互作用，可以是贝塔衰变或聚变过程的产物，或是触发这些过程，并且其穿透力极强，能最早地穿出致密星体。中微子的探测可以直接地揭示恒星末期塌缩时发生的物理过程。超新星 1987A 过程中观测到的中微子事例的能量、通量和时间分布，第一次从实验上直接对核塌缩超新星的动力学过程给出了重要提示，并对中微子质量和寿命等做出了约束。
图2，Hubble望远镜拍摄的1987A超新星爆发后照片。
2015 年 9 月 14 日 LIGO 实验的两个相隔 3000 公里的独立探测器，同时直接观测到了一个引力波事件 GW150914——被确定为 410 Mpc 之外的两颗大质量黑洞合并的结果。在过去，天文学家只是间接地证实了引力波的存在，例如在临近双星系统的观测上，双星轨道的收缩规律与引力波辐射损失能量的计算相符。这一次不仅直接证实了百年前爱因斯坦预言的引力波的存在，还为研究天体过程提供了一种新的实验手段。在 2017 年 8 月，LIGO 实验观测到一个新的引力波事件 GW170817，两秒钟之内，Fermi伽马射线望远镜也观测到了 40 Mpc 外宿主星系 NGC 4993 的一个短伽马爆事件。引力波信号的发现直接从实验上证实了该事件为一个双中子星合并事件，符合科学家对短伽马爆事件的预期。
图3，LIGO探测到的引力波GW150914事件。
现在我们期待不仅从光学，还有更多的频道，例如传播距离更远的中微子和引力波的角度，同时对深空的天文事件进行实验观测，更全面、更深刻地解释背后的物理过程。目前的引力波实验的信号源主要来自双黑洞合并、双中子星合并、黑洞和中子星的合并，以及一些有不对称结构的中子星和超新星的塌缩过程。我们预期在有吸积，喷发等强烈的物质对撞的过程中，都有大量的弱相互作用过程发生，可以释放大量的中微子。
大亚湾中微子实验坐落在广东省大亚湾核电站厂区内部，一座小山丘的地下，其主要的研究目标是测量核电反应堆发射的中微子通量随其飞行距离的变化。2012 年，大亚湾实验观测到了反应堆发射的反电子中微子的通量会随着飞行距离发生变化，类似于正弦曲线的振荡现象，大亚湾中微子实验合作组由此率先测量得到了中微子混合角 theta13，此后，实验精度不断提高，一直保持着世界领先。
图4，大亚湾中微子探测器成功安装在巨型水池之中。
图5，大亚湾中微子实验接收来自引力波事件的中微子（假想图）。
这个反贝塔衰变过程也可以用来探测来自天体事件的反电子中微子，并通过能量和事例率两个条件来鉴别信号。探测的主要本底为反应堆中微子本底，集中在小于 10 MeV的低能区域，反应堆发射的中微子在时间上是连续的，是均匀的，有一定的事例率。另一个重要的本底过程是宇宙线缪子导致的裂变快中子本底，能量高，可以覆盖到 GeV 区间，但由于实验在地下进行，事例率较低。按照1987A事件的规律和一些理论预期，我们期待天体爆发事件的中微子能量可以高于反应堆本底信号，有可能一直到 50 MeV，并且天体事件的爆发持续时间短（小于10秒）的特性，瞬间的事例率可以很高。根据 1987A 事件的中微子释放量，以及大亚湾实验的靶质量和反应堆中微子和缪子裂变本底事例率来计算，大亚湾实验探索的灵敏区域在 50 kpc以内，可以覆盖到银河系中心的部分区域。
图6，192个8英寸光电倍增管安装在紧贴钢罐内壁的支架上，用于探测中微子俘获时发出的光信号。
在 2014 年，我们设计并安装了爆发中微子的触发系统，适合超新星、引力波等爆发性天体事件的研究，同时加入了国际超新星预警组织，与国际上其他多个地下中微子实验一起守望天空。
2020 年，我们利用 2011 至 2017 年的离线数据正式分析了对应这一时间段的引力波事件GW150914、GW151012、GW151226、GW170104、GW170608、GW170814 和 GW170817。离线数据有更严格的探测器状态的检查，和更准确的能量测量和本底测量，在引力波事件的寻找上更可靠。根据本底和信号的实际分析，在这些引力波事件发生的时间附近，没有发现显著的中微子爆发现象，事例率和能量分布都与本底过程的随机涨落相符，我们只能给出对应于这些引力波事件的中微子通量的上限。
图7，大亚湾实验给出的引力波事件对应的反电子中微子通量上限。
这个研究虽然没有找到和引力波事件符合的中微子事件，但这是我们在这个方向上的第一次尝试，我们完全掌握了该实验物理方向的研究方法。我们认为没有找到的原因主要是大亚湾实验的靶质量还很小，敏感区域只能局限在银河系范围内，目前对引力波事件还不能给出好的结论。但我们期待，在未来的大型中微子实验中，我们有机会“看到”深空的一次中微子的闪耀。