張雙虎

日前，上海交通大學李政道研究所發(fā)布了南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”藍圖?！昂ｂ徲媱潯庇缮虾＝煌ù髮W李政道研究所發(fā)起并牽頭，旨在探索建設(shè)中國首個深海中微子望遠鏡，通過捕捉高能天體中微子來探索宇宙，加速構(gòu)建多信使天文網(wǎng)，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。該項目由中國科學院院士景益鵬擔任負責人、李政道研究所副教授徐東蓮擔任首席科學家。

1609年伽利略發(fā)明了望遠鏡，極大推動了天文學的發(fā)展。此后400多年，許多天文觀測主要基于捕捉宇宙中傳來的光子實現(xiàn)，如著名的哈勃空間望遠鏡、詹姆斯·韋布空間望遠鏡等，但光子僅是宇宙發(fā)送的眾多信使之一。

為進一步揭開宇宙起源與演化的奧秘，人類不斷嘗試探尋其他信使的蹤影。

2013年，南極冰立方（IceCube）首次“看”到來自宇宙的高能中微子。2015年，激光干涉引力波天文臺（LIGO）通過引力波“聽”到了兩個黑洞合并的壯觀場景。這兩大發(fā)現(xiàn)標志著結(jié)合光子、引力波和中微子攜帶的信息，揭開宇宙奧秘的“多信使天文學時代”即將來臨。

科學家對中微子性質(zhì)的研究已多次刷新基本物理認知，并4次榮獲諾貝爾獎。但中微子仍有諸多未解之謎，如中微子的絕對質(zhì)量是多少、它們是否為自身的反粒子等，有必要對中微子進行更深入的探究。

由于如幽靈般有極強的穿透力，中微子可輕松逃脫極端、致密的宇宙和天體環(huán)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(fā)、雙中子星并合、黑洞爆發(fā)均伴隨大量中微子的產(chǎn)生，探測這些中微子將幫助人們理解這些劇烈過程背后的機制。

中微子天文學起源于1960年蘇聯(lián)物理學家馬可夫提出的在深?；蚝锝ㄔ烨袀惪品蚬馓綔y元件陣列的構(gòu)想。目前世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡IceCube選擇將探測器陣列建在2500米深的南極冰層中。此外，在地中海的KM3NeT和在貝加爾湖的Baikal-GVD中微子望遠鏡項目中，均有部分深水中微子望遠鏡陣列在運行。

“倘若探測到宇宙射線源頭伴生的中微子，就能直接溯源，確切解答宇宙射線起源的百年謎題?！毙鞏|蓮說。

深海工程技術(shù)的飛速發(fā)展，使我國建設(shè)深海中微子望遠鏡成為可能。我國在多波段望遠鏡、空間引力波和低能中微子觀測站方面均有布局，海鈴中微子望遠鏡將填補我國多信使天文觀測網(wǎng)中空缺的重要一環(huán)。

2021年9月，由上海交通大學牽頭的“海鈴探路者”項目完成首次海試任務(wù)。來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術(shù)大學、自然資源部第二海洋研究所等機構(gòu)近80位專家參與其中。

上海交通大學李政道研究所等機構(gòu)研制出適用于4000米深海環(huán)境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應的深海布放系統(tǒng)。合作單位中，中國科學技術(shù)大學團隊完成了光電管測試、后端電子學研制；清華大學團隊完成了高精度時鐘同步系統(tǒng)；自然資源部第二、第三海洋研究所團隊主導了流速剖面、溫度、鹽度等深海水文數(shù)據(jù)的采集和分析。

海試成功測量了預選海域的深海流速、原位海水光學性質(zhì)、放射性本底，驗證了候選海域作為中微子望遠鏡臺址的可行性，為“海鈴計劃”的后續(xù)推進奠定了基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，“海鈴計劃”團隊完成了海鈴中微子望遠鏡的概念設(shè)計。相關(guān)論文近日在《自然-天文》上發(fā)表。

“中微子望遠鏡以整個地球為屏蔽體，接收從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆??！痹撜撐墓餐谝蛔髡摺⑸虾＝煌ù髮W李政道研究所博士后葉子平說，“由于位于赤道附近，海鈴中微子望遠鏡可以通過地球的自轉(zhuǎn)探測360度全天域的中微子，與南極的IceCube以及北半球的其他中微子望遠鏡完美互補?！?/p>

“海鈴計劃”的預選臺址位于南海北部一個海底平原。那里深約3.5公里，海床平整，流速平緩，且海水放射性與普通海水的公開數(shù)據(jù)一致。

預選臺址海水的光學屬性也能滿足建設(shè)大型望遠鏡陣列的要求?！昂ｂ徧铰氛摺表椖繄F隊在預選臺址約3420米水深處原位測量了海水的光學性質(zhì)，結(jié)果顯示其平均吸收和散射長度分別約為27米和63米。清澈的海水可更清晰“錄制”中微子與海水反應的線索，更有利于重建中微子的種類、來源的方向和攜帶的能量。同時，該團隊在候選臺址成功布放探測球艙，部分驗證了耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與模擬、深海潛標布放等核心技術(shù)。

基于上述結(jié)果，研究團隊利用上海交通大學“思源一號”科學計算平臺進行模擬計算，正式提出海鈴中微子望遠鏡的概念設(shè)計。

研究團隊創(chuàng)新性地提出了新型混合探測球艙概念設(shè)計——艙內(nèi)表面緊密覆蓋多個能探測單光子的光電倍增管（PMT），形成類似于果蠅復眼的結(jié)構(gòu)，同時利用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(yōu)化中微子探測性能，實現(xiàn)無死角觀測不同方向的中微子。該團隊預計，陣列建成后一年內(nèi)就能發(fā)現(xiàn)鯨魚座中棒旋星系NGC 1068的穩(wěn)定中微子源，并能發(fā)現(xiàn)IceCube僅收集到初步證據(jù)的TXS0506+056耀星體中微子爆發(fā)。

2022年底，在科技部、上?？茖W技術(shù)委員會和上海交通大學的支持下，海鈴一期項目啟動。海鈴一期擬在選定海域建設(shè)10根望遠鏡串列，并通過長距離海纜連接南海某島基地。預計2026年海鈴中微子望遠鏡將成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，對銀河系內(nèi)外的天體源展開搜索，并完成建設(shè)大陣列的全鏈技術(shù)驗證。預期在2030年前后，其將成為國際上最先進的中微子望遠鏡。

“中微子天文學正站在重大突破的門檻上?！毙鞏|蓮說，“當前，世界主要發(fā)達國家都在積極籌建二代中微子望遠鏡，以在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。海鈴中微子望遠鏡的建成，有望實現(xiàn)中微子天文學和基礎(chǔ)物理學的新突破?！?/p>