上海交通大学发起并牵头“海铃计划”，首个深海中微子望远镜建在南海
原标题：我首个深海中微子望远镜建在南海，“海铃计划”蓝图发布南海北部一处深约3.5公里的深海平原上，将建起占地12平方公里的中国首个深海中微子望远镜。1200根垂直线缆，每根700米长，两根之间相距70-100米，像海藻一样垂直锚定于海床上，并搭载约20个高分辨率光学探测球舱，组成了探测器阵列，可以监测高能中微子反应的海水体积约7.5立方公里。10月9日，该中微子望远镜海试成果和概念设计相关论文发表于《自然·天文》杂志，上海交通大学李政道研究所发起并牵头的“海铃计划”也由此亮相。
天文学研究迈入多信使时代
1609年伽利略发明了望远镜，极大推动了天文学的发展。此后400多年，众多的天文观测依然主要基于捕捉宇宙中传来的光子来实现，如著名的哈勃望远镜、詹姆斯·韦伯望远镜等，但光子仅仅是宇宙发送的众多“信使”之一。为了进一步揭开宇宙起源与演化的奥秘，人类不断地尝试着探寻其它信使的踪影。2013年，南极冰立方实验（IceCube）首次“看”到了来自宇宙的高能中微子；2015年，LIGO实验首次通过引力波“听”到了两个黑洞合并的壮观场景。这两大发现标志着结合光子、引力波和中微子携带信息揭开宇宙奥秘的新时代的来临：多信使天文学时代。中微子是宇宙中数量最多的次原子粒子之一，每秒钟就有数百万亿个太阳中微子穿透我们的身体。但中微子不带电，有着幽灵般极强的穿透力，是研究极端宇宙的理想信使。目前国际世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方（IceCube）选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中，于2010年建成。此外，在地中海的KM3NeT和在贝加尔湖的Baikal-GVD项目，均有部分深水中微子望远镜阵列在运行中。
“海铃计划”构想图。整个几何阵列约有1200条垂直线缆，每条线缆上约有20个光学模块，位于海面下方约3500米的深处，监测体积约为7.5立方公里。上海交通大学李政道研究所发起并牵头的“海铃计划”，旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜，由中国科学院院士景益鹏担任项目负责人，李政道学者徐东莲担任首席科学家。项目将通过捕捉高能天体中微子来探索极端宇宙，为我国填补该领域的空白，推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究，孕育多项原创科学发现，为人类文明做出重要的科学贡献。据悉，我国在多波段望远镜、空间引力波和低能中微子观测站领域均已有布局，海铃深海中微子望远镜将填补空缺，加快推进我国多信使天文观测网的建立和完善。2021年9月，由上海交通大学牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务。该航次由徐东莲担任航次首席科学家，海洋工程专家田新亮担任领队，来自上海交通大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、自然资源部第二海洋研究所、向阳红03号科考船等机构的近80位科研人员与技术人员共同参与。此前一年间，上海交通大学李政道研究所、物理天文学院、船建学院的团队合作，研制了适用于4000米深海环境、携带高灵敏感光元件的探测球舱和相应的深海布放系统。中国科技大学团队完成了光电管测试、后端电子学研制，清华大学团队完成了高精度时钟同步系统，自然资源部第二、第三海洋研究所团队主导了包括流速剖面、温度、盐度等深海水文数据的采集和分析。首次海试成功测量了预选海域的深海流速、原位海水光学性质、放射性本底，验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性，为“海铃计划”的后续推进奠定了基础。海铃团队在这些重要结果基础之上，完成了海铃中微子望远镜的概念设计，徐东莲是该论文的通讯作者，共同第一作者为上海交通大学李政道研究所的博士后叶子平、博士生田玮，以及北京大学天文系博士生胡帆。
徐东莲介绍，团队预选台址位于南海北部的一个深约3.5公里的深海平原，海床平整，海底数百米高度范围内流速非常平缓，深海海水测量的放射性与普通海水的公开数据一致。中微子望远镜利用整个地球作为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子。“由于位于赤道附近，海铃可以通过地球的自转探测360度全天域的中微子，与南极冰立方及北半球的其他中微子望远镜形成了完美的互补。”同时，预选台址海水的光学属性可以满足建设大型望远镜阵列的要求。研究团队通过部署自研的高灵敏感光元件探测球舱，首次实现同时使用两套独立的光学测量系统（光电倍增管系统和相机系统），在预选台址约3420米水深原位测量了海水的光学性质，结果显示其平均吸收和散射长度分别为约27米和63米。其清澈度足可清晰地“录制”中微子与海水反应的踪迹，更有利于重建中微子的种类、来源的方向和携带的能量。海试中成功布放的探测球舱，也部分验证了未来海铃望远镜的耐高压玻璃球舱、光电探测器、数据采集系统、数据分析与模拟、深海潜标布放等核心技术。一期目标：2026年建成世界首个近赤道的小型中微子望远镜在利用上海交大“思源一号”科学计算平台进行模拟计算之后，项目组正式提出了南海中微子望远镜“海铃计划”（英文简称 TRIDENT）的概念设计。探测器阵列由1200根垂直线缆组成，每根线缆长约700 米，互相间距70-100米，像海藻一样垂直锚定于海床上，并搭载约20个高分辨率光学探测球舱。海铃阵列直径约4公里，总占地面积约为12平方公里，可监测高能中微子反应的海水体积约7.5立方公里，设计寿命为20年。团队创新提出新型混合探测球舱概念设计，将舱内表面紧密覆盖了多个能探测到单光子的光电倍增管（PMT），形成类似于果蝇的复眼结构，同时利用PMT之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增管，进一步优化中微子探测性能，将能实现无死角地观测不同方向的中微子。研究人员预计，海铃阵列建成后一年内就能够发现鲸鱼座（Constellation Cetus）中的棒旋星系NGC 1068的稳定中微子源，并发现类似于冰立方利用10年的数据才初步观察到的TXS 0506+056耀星体（一个正在吞噬物质的超大质量黑洞）的中微子爆发。“海铃”选址位置示意图。地处低纬度近赤道地区，可随地球自转360度巡天，与目前其他中微子望远镜形成互补。本文图片均由上海交通大学提供作为“海铃计划”首席科学家的徐东莲曾在冰立方国际合作组中学习、工作多年，2018年回国加入上海交大李政道研究所，2020年正式提出南海中微子望远镜“海铃计划”的建设规划和行动计划。徐东莲介绍说，“海铃计划”将分步实施。2022年底，在科技部、上海市科委和上海交通大学的支持下，已启动一期项目。海铃一期拟在选定海域建设10根望远镜串列，并通过长距离海缆连接南海某岛基地。预计2026年成为世界首个近赤道的小型中微子望远镜，开展对银河系内外的天体源搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证。海铃计划的终极大阵列将包括约1200根望远镜串列，超越升级后的冰立方，预期在2030年前后成为国际上最先进的中微子望远镜。
本文来源：人民日报
