在3.5公里深的海底，中国2030年将建成国际最先进中微子望远镜澎湃新闻2023-10-12 13:28澎湃新闻2023-10-12 13:28 - 海洋天文学

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“海铃计划”构想图。阵列成潘路斯（Penrose）密铺几何，约有1200条垂直线缆，每条线缆上约有20个光学模块，线缆位于海洋下方约3500米深处，监测体积为 (4 x 4 x 0.5) 立方公里。 本文图片 上海交通大学提供

“我们想象一下，在3.5公里深的海底要建造一个望远镜，它可以朝下看，是反直觉的。”10月10日，在南海中微子望远镜“海铃计划”的蓝图发布会上，中国科学技术大学教授卢征天这样形容，“它看的是穿过整个地球的中微子，它们来自遥远的星系，可能是上亿年前甚至上几十亿年前产生的中微子。这是一个多么大胆、多么富有想象力的计划。”

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10月10日，徐东莲介绍“海铃计划”。

“海铃计划” （英文：TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）由上海交通大学李政道研究所发起并牵头，旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜，项目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（亚TeV到PeV量级）天体中微子来探索极端宇宙，为我国填补该领域的空白，加速构建我国完备的多信使天文网。近日，项目发布最新研究进展及规划蓝图。

2022年底，在科技部、上海科学技术委员会和上海交通大学的支持下，海铃一期项目已启动。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。

预期在2030年前后，“海铃计划”将建成国际上最先进的中微子望远镜。“海铃计划”的终极大阵列将包括约1200根望远镜串列，像海藻一样垂直锚定于海床上。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。

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微子天文。中微子可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境，并在宇宙中传播不因磁场而改变方向，是追根溯源、研究极端天体现象的理想信使。

“捕获”中微子，探索极端宇宙

中微子天文学的重要性何在？

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，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。

中微子是宇宙中数量最多的次原子粒子之一。由于其如幽灵般极强的穿透力，中微子可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，是研究极端宇宙的理想信使。对中微子更深入的探索，或再次颠覆人们对基本物理规律的认知，确切地解答宇宙射线起源的百年谜题。

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中微子天文学的思想起源于1960年苏联物理学家马可夫提出的在深海或湖里建造切伦科夫光探测元件阵列的构想。2010年，目前国际世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方（IceCube）建成，其探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。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。

中微子天文学正处于重大突破的门槛上。当下，世界主要发达国家都在积极地筹建性能大大优化的二代中微子望远镜，在提升探测灵敏度的同时更精确地定位中微子源。二代望远镜的建成，有望催生中微子天文学和基础物理学的新突破。

2021年项目团队完成首次海试任务

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“阵列在洋流的作用下有微微跳舞的感觉，中微子信号一来，如果我们用浪漫的心态去观测图像的话，它就像信号拨过铃铛的阵列，给我们带来遥远宇宙深处的讯息，因此命名为‘海铃计划’。”项目首席科学家、上海交通大学李政道学者徐东莲曾在2021年的采访中向记者描述。

2021年9月初，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，近八十名科研人员与技术人员共同参与。

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海铃探路者出海人员合影。

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在此前仅一年极有限的研发时间窗里，上海交大李政道研究所、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。合作单位中，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。本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。

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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，相关论文于2023年10月9日发表于《自然·天文》杂志。徐东莲为该论文的通讯作者，上海交大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为共同第一作者。

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聚焦深海中微子望远镜建设，李政道研究所“海铃计划”团队获重大进展，10月9日成果发表于《自然·天文》杂志。

预计阵列建成后一年内，能够发现棒旋星系NGC 1068的稳定中微子源

论文中详尽论述了预选台址拥有建设中微子望远镜的良好深海环境，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，与南极冰立方以及北半球的其他中微子望远镜形成了互补。

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预选海址处低纬度近赤道地带，随着地球的自转，可360度巡天，与南极冰立方以及北半球的其他中微子望远镜形成了互补。

徐东莲介绍，预选台址海水的光学属性满足建设大型望远镜阵列的要求。探路者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。相比之下，普通的自来水衰减长度常常只有2-3米。清澈的海水可更清晰地“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。在候选台址成功布放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。

基于上述结果，项目组利用上海交大“思源一号”科学计算平台进行模拟计算，正式提出南海中微子望远镜“海铃计划”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。

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海铃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，同时巧妙地利用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。

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据介绍，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十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。

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“这是一个巨大的深海大型密集潜标阵列，是一个前所未见的深海大工程，因此全球范围内目前还没有成熟的经验。”田新亮介绍，“海铃计划”还将面对如何将密集阵列安全精准地安装到海底、如何应对海底极端灾害环境、如何运行和维护望远镜阵列、如何为深海大阵列供电及数据传输等等具体挑战。

“像是要在3.5公里深的海底种水稻。可以说‘海铃计划’不仅是基础科学的前沿探索，更是深海技术的练武场。‘海铃计划’的实施也将大力推动我国深海工程装备和技术的提升。”田新亮说。

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