揭秘“海鈴計劃”：中國首個深海中微子望遠鏡設計迎進展

中青報·中青網記者 王燁捷

上海交通大學李政道研究所“海鈴團隊”完成了中國首個深海中微子望遠鏡的概念設計，10月9日相關論文發表於《自然·天文》雜誌上。

李政道學者徐東蓮是該論文的通訊作者，共同第一作者爲交大李政道研究所的博士後葉子平、博士生田瑋，以及北京大學天文系博士生胡帆。

這篇論文“揭秘”了南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”的建設藍圖。這臺望遠鏡預選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互補。

項目組利用上海交大“思源一號”科學計算平臺進行模擬計算，正式提出南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”（英文：TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）的概念設計。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。

文章預計，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。

“海鈴計劃”由上海交大李政道研究所牽頭髮起，旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，由中國科學院院士景益鵬擔任項目負責人、李政道學者徐東蓮擔任首席科學家。項目通過捕捉高能（亞TeV到PeV量級）天體中微子來探索極端宇宙，爲我國填補該領域的空白。

中微子是宇宙中數量最多的次原子粒子之一（注：光子最豐富，中微子次之），每秒鐘就有數百萬億個太陽中微子穿透我們的身體。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。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。

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我們對基本物理規律的認知，並四次獲得諾貝爾獎。但中微子仍有許多未解之謎，如中微子的絕對質量爲多少、它們是否爲自身的反粒子等。對中微子更深入的探究，或再次顛覆人們對基本物理規律的認知。

據悉，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。

2020年8月15日，徐東蓮代表“海鈴計劃”團隊，在全國高能物理髮展戰略研討會（青島）上正式提出了南海中微子望遠鏡——“海鈴計劃”的建設規劃和行動計劃。“海鈴計劃”將分步實施，其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。

海鈴項目得到了教育部、科技部、上海市、海南省的大力支持，望遠鏡的預研工作也是上海市科委的重大項目和科技部重點研發專項青年項目。

上海交通大學於2021年6月成立了海鈴合作組，依託上海交通大學物理學、天文學、海洋工程、海洋科學、材料科學、電氣工程等多學科優勢交叉合作，同時與北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所等科研院校的相關學科緊密合作，至今項目組已發展到10餘家合作單位，近百名成員，穩步推進科學、工程、技術等方面的協同攻堅。

來源：中國青年報客戶端