“海玲计划”首航告捷，我国探索在深海建设中微子望远镜 - 深海探测光学设备

! q) H; D) H7 U7 D" F

把捕捉宇宙基本粒子的天文望远镜建在3000米深的大海之下？没错！

' f- `0 f7 B& t1 K! T" f. q* D* l

在中国南海北部的一片深约3500米的深海开阔盆地，将有1200根垂直线缆，并悬起24000个光学探测球舱，组成一大片“海铃”，在深水中侦听并捕捉宇宙中的“幽灵信使”——中微子。10月10日，上海交大李政道研究所发布南海中微子望远镜“海铃计划”蓝图，该计划将探索宇宙射线起源世纪之谜。

四获诺奖的中微子研究仍有诸多未解之谜

6 i0 I/ d8 Q9 _1 s$ L

中微子是构成宇宙的基本单元之一，也是宇宙中数量最多的粒子。它不带电且与物质相互作用极弱，如幽灵一般，极难被捕捉。中微子在1930年首次被理论预言，但直到1956年才被实测观测到。科学家们对其性质的研究已多次刷新人类对基本物理规律的认知，并获得过4次诺贝尔奖的青睐。

目前已知存在的中微子有3种类型，电子中微子、缪中微子和陶中微子。由于量子效应，它们在时空传播过程中可相互转换，类似于川剧的变脸表演，在时空转变的刹那就能换了模样，这就是著名的中微子振荡现象。通过建造不同的探测器来研究中微子的振荡行为，人类得以部分窥见宇宙物质形成的基本规律。然而，中微子本身仍有许多未解之谜，如中微子的绝对质量几何，它们是否为自身的反粒子等。

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。

7 D, D* }+ ~6 \

“海玲计划”填补中国中微子深海望远镜阵列的空白

得益于自“十二五”以来的我国在深海工程技术方面的飞速发展，使得在我国建设深海中微子望远镜成为可能。

" L3 F9 k2 P7 z; c" x/ t$ V

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。

项目于2020年8月正式提出，其后在仅一年的有限时间窗，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。

: J0 u' d# \ z2 y: J3 Q

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。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，共有来自上海交通大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学等机构的近八十位科研人员与技术人员共同参与，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。

6 q* c4 c" }$ L7 P, `# x

之所以在南海设置中微子望远镜，是因为在预选台址的3500米深处的深海平原，海床平整、海底数百米高度范围内流速非常平缓，而且海水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。

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。海铃团队还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。

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。

& f! [% v3 H5 c8 Q 2 V6 J S) I* w% ]4 D