上海交通大學李政道研究所正式發佈南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”藍圖

“海鈴計劃”構想圖

在中國南海北部一片深約3.5公里深海平原，將排布有1200根長約700米的垂直纜，互相間距70~100米，它們像海藻一樣垂直錨定於海牀之上，可以在7.5立方公里的海域探測尋找“宇宙幽靈信使”——中微子。

2023年10月10日上午，上海交通大學李政道研究所正式發佈南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”(TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）藍圖。海鈴團隊目前已經完成了海鈴深海中微子望遠鏡的概念設計，相關論文於2023年10月09日發表於《自然·天文》雜誌。

中微子背後藏着宇宙射線起源之謎

中微子不帶電，主要通過弱相互作用與物質反 應，猶如幽靈一般在宇宙中穿行，極難被捕獲，是宇宙發送的衆多“信使”之一，每秒鐘就有數百萬億個太陽中微子穿透我們的身體。目前已知的中微子有三種類型，電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，它們在時空傳播過程中由於量子效應可相互轉換，這就是著名的中微子振盪現象。

由於其如幽靈般極強的穿透力，中微子可輕鬆逃逸極端、緻密的宇宙和天體環境而不改變方向，是研究極端宇宙的理想信使。 宇宙大爆炸、超新星爆發、雙中子星併合、黑洞爆發均伴隨着大量中微子的產生。 “海鈴計劃”項目負責人、中國科學院院士景益鵬介紹，倘若宇宙射線其源頭伴生的中微子被探測到，就能直接指回源頭，確切地解答宇宙射線起源的百年謎題。

中微子在1930年首次被理論預言，但直到1956年才被實驗觀測到。科學家們對其性質的研究已多次刷新人們對基本物理規律的認知，並四次榮獲諾貝爾獎。

中微子天文

目前國際世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方（IceCube）選擇將探測器陣列建在2500米深的南極冰層中。該望遠鏡於2010年建成，2013年便首次探測到一個來自地外的彌散高能中微子流；2017年首次發現對應已知的天體源證據，叩開了高能中微子天文學的大門。

此外，在地中海的KM3NeT和在貝加爾湖的Baikal-GVD項目均有部分深水中微子望遠鏡陣列在運行中。中微子天文學正處於重大突破的門檻上。當下，世界主要發達國家都在積極地籌建性能大大優化的二代中微子望遠鏡，在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。二代望遠鏡的建成，有望催生中微子天文學和基礎物理學的新突破。

填補我國在中微子監測領域空白

據介紹，“海鈴”臺址位於南海北部的一個深約3.5公里的深海平原，海牀平整、海底數百米高度範圍內流速非常平緩。深海海水測量的放射性與普通海水的公開數據一致。

中微子望遠鏡利用整個地球作爲屏蔽體，接收從地球對面穿透而來的中微子。由於位於赤道附近，海鈴可以通過地球的自轉探測360度全天域的中微子，與南極冰立方以及北半球的其他中微子望遠鏡形成了完美的互補。

探測器陣列由1200根垂直線纜組成，每根線纜長約700 米，互相間距70~100米，像海藻一樣垂直錨定於海牀上，並搭載約20個高分辨率光學探測球艙。海鈴陣列直徑約4公里，總佔地面積約爲12平方公里，可監測高能中微子反應的海水體積約7.5立方公里，設計壽命爲20年。

海鈴團隊創新提出新型混合探測球艙概念設計，將艙內表面緊密覆蓋了多個能探測到單光子的光電倍增管（PMT），形成類似於果蠅的複眼結構，同時巧妙地利用PMT之間的空隙安裝超快時間響應的硅光電倍增管，進一步優化中微子探測性能，將能實現無死角地觀測不同方向的中微子。

預計海鈴陣列建成後一年內就能夠發現鯨魚座（Constellation Cetus）中的棒旋星系NGC 1068的穩定中微子源，並發現類似於冰立方利用十年的數據才初步觀察到的TXS 0506+056耀星體（一個正在吞噬物質的超大質量黑洞）的中微子爆發。

我國在多波段望遠鏡、空間引力波和低能中微子觀測站均已有佈局，海鈴深海中微子望遠鏡將填補我國多信使天文觀測網中尚且空缺的重要一環，極大促進和完善我國建立的多信使天文觀測網 ，並推動粒子物理、天體物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究。

海鈴探路者出海人員合影

2021年09月初，由上海交通大學牽頭的“海鈴探路者”項目團隊完成首次海試任務。本航次由徐東蓮擔任航次首席科學家，海洋工程專家田新亮擔任領隊，共有來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號科考船等機構的近八十位科研人員與技術人員共同參與。

自2022年底，在科技部、上海科學技術委員會和上海交通大學的支持下，已啓動海鈴一期項目。海鈴一期擬在選定海域建設10根望遠鏡串列，並通過長距離海纜連接南海某島基地。預計2026年成爲世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，開展對銀河系內外的天體源搜索，並完成建設大陣列的全鏈技術驗證。海鈴計劃的終極大陣列將包括約1200根望遠鏡串列，超越升級後的冰立方，預期在2030年前後成爲國際上最先進的中微子望遠鏡。

信息來源：上海交通大學。轉載請註明信息來源及海洋知圈編排。