瞭望 | 在深海聆聽“幽靈粒子”

“中微子是非常神秘的宇宙幽靈信使，也是研究極端宇宙的利器，是連接宇宙中極大和極小完美的橋梁。我們捕捉它們，見微知著，靜聽寰宇。”

人們靠什么了解宇宙？除了看得見的光，還有其他辦法嗎？

《瞭望》新聞周刊記者近日在上海交通大學(xué)李政道研究所了解到，為了洞悉宇宙，這里的科學(xué)家啟動(dòng)了一個(gè)前所未有的深海大工程——“海鈴計(jì)劃”。他們的目標(biāo)大膽而明確：在海底打造一臺(tái)全球性能最強(qiáng)的中微子望遠(yuǎn)鏡，通過捕捉高能中微子解答宇宙射線起源等謎題。

按現(xiàn)代科研結(jié)果，140億年前的宇宙大爆炸，創(chuàng)造了時(shí)空和萬物，包括宇宙中的基本粒子，它們是構(gòu)成宇宙最小的單元。其中，中微子很神奇，它們幾乎不與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，可以從致密的天體環(huán)境當(dāng)中逃離出來，是研究極端宇宙的理想信使，近十年來備受天文學(xué)家關(guān)注。

根據(jù)概念設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)將在我國海域靠近赤道一個(gè)深約3.5公里的深海平原建設(shè)直徑約4公里、占地約12平方公里的探測器陣列。陣列由1200根線纜組成，這些線纜像巨型海藻一樣垂直地錨定于海床上，每根長約700米，互相間距70米至110米。每根線纜搭載20個(gè)光學(xué)探測球艙，如同深海中的一串鈴鐺，靜待高能中微子的到來。

相關(guān)創(chuàng)新研發(fā)技術(shù)和設(shè)備、海試選址、概念設(shè)計(jì)等研究成果2023年10月9日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》，項(xiàng)目一期建設(shè)已于2022年底啟動(dòng)。

“海鈴?fù)h(yuǎn)鏡將利用整個(gè)地球作為屏蔽體，捕捉從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆?，通過地球自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)360度全天域探測。”上海交通大學(xué)李政道研究所李政道學(xué)者、項(xiàng)目首席科學(xué)家徐東蓮說，通俗地講，這個(gè)深海望遠(yuǎn)鏡“仰望”宇宙的方式有所不同，它不是“朝上看”，而是“朝下看”。

前所未有的深海大工程

中微子廣泛存在于宇宙中，是數(shù)量僅次于光子的次原子粒子。其誕生往往與宇宙中的極端事件有關(guān)，比如宇宙大爆炸、超新星爆發(fā)、雙中子星并合、黑洞爆發(fā)等。其中，高能中微子主要源于宇宙射線與塵埃和氣體的碰撞。

在上海交通大學(xué)李政道研究所，記者看到了多顆玻璃球，大小與兩個(gè)足球的直徑相當(dāng)，它們就是海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡的基本組成單元——光學(xué)探測球。透過玻璃罩可以看到，球面混合排布著圓形和方形的兩種光學(xué)探測器。這是一大技術(shù)創(chuàng)新，兩種探測器混合使用使探測球兼具光子收集面積大和時(shí)間響應(yīng)速度快兩種性能（后文還將詳述）。

“光學(xué)探測球的作用是收集中微子與海水反應(yīng)后發(fā)出的光，以此倒推中微子的性質(zhì)。”徐東蓮說，中微子不帶電、不與物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)相互作用，可以像幽靈一樣在宇宙中無障礙穿行，很少損耗其自身攜帶的宇宙信息，但也因而極難被直接探測，研究人員只能通過中微子與透明介質(zhì)（比如水和冰）反應(yīng)后的遺跡間接探測。

野外大面積的透明介質(zhì)環(huán)境，可以是海洋湖泊，也可以是冰川，海鈴?fù)h(yuǎn)鏡怎么選呢？

回顧中微子天文學(xué)的發(fā)展，全球首個(gè)高能中微子探測裝置選擇了冰川：2010年，美國在南極2.5公里深的冰層之下建成含有86根線纜的冰立方中微子天文臺(tái)，并在2013年首次“看”到了來自宇宙的高能中微子。不過，之后啟動(dòng)建設(shè)的裝置不約而同選擇了水體，有俄羅斯的貝加爾湖裝置、歐盟的地中海裝置和多機(jī)構(gòu)聯(lián)合的太平洋裝置。

相比冰川，水體的雜質(zhì)更少、更利于觀測，但流動(dòng)的環(huán)境會(huì)提高建設(shè)和運(yùn)營的難度。徐東蓮告訴記者：“水基望遠(yuǎn)鏡能獲得更好的指向能力，性能至少提升10倍。困難，但值得嘗試。”

徐東蓮曾在冰立方學(xué)習(xí)、工作，2018年回國加入上海交通大學(xué)李政道研究所，依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平臺(tái)，進(jìn)一步探索在我國海域建設(shè)中微子望遠(yuǎn)鏡的可行性。

“宇宙是無窮的，性能大幅提升的中微子望遠(yuǎn)鏡能捕獲更多中微子，通過多個(gè)裝置數(shù)據(jù)共享，全球科學(xué)家可以聯(lián)合挖掘極端天體現(xiàn)象，進(jìn)一步解析極端宇宙。”徐東蓮說。

一個(gè)前所未有的深海大工程，需要“領(lǐng)航者”，也需要“掌舵人”。中國科學(xué)院院士、曾任上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院院長等職務(wù)的景益鵬擔(dān)任“海鈴計(jì)劃”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他從戰(zhàn)略上解答了“海鈴計(jì)劃”的必要性：

從國際上看，已經(jīng)建成的冰立方位于南極，正在建設(shè)的貝加爾湖裝置、地中海裝置和太平洋裝置均位于北半球中緯度地區(qū)。在我國海域靠近赤道位置選址有獨(dú)特優(yōu)勢，可以通過地球自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)360度全天域探測，與其他國際裝置形成互補(bǔ)。

從國內(nèi)來看，我國在多波段望遠(yuǎn)鏡（如LHAASO，HXMT/eXTP，CSST，F(xiàn)AST）、空間引力波（如太極和天琴）和低能中微子觀測站（JUNO）均有布局，海鈴高能中微子望遠(yuǎn)鏡將填補(bǔ)我國多信使天文觀測網(wǎng)中尚且空缺的重要一環(huán)，極大促進(jìn)和完善我國多信使天文觀測網(wǎng)建設(shè)。

海鈴?fù)h(yuǎn)鏡所需的光學(xué)探測球（2023年10月10日攝）劉穎攝/本刊

探路！向海底發(fā)射“火箭”

2021年，“海鈴計(jì)劃”首次海試任務(wù)啟動(dòng)。來自上海交通大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號(hào)科考船等機(jī)構(gòu)的近80位人員共同參與。

一方面是選址，另一方面是自研設(shè)備首次深海實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院教授田新亮擔(dān)任領(lǐng)隊(duì)，他表示，海試部分驗(yàn)證了未來海鈴?fù)h(yuǎn)鏡的耐高壓玻璃球艙、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(biāo)布放等核心技術(shù)。

海試過程如同向海底發(fā)射“火箭”。一般來說，火箭發(fā)射升空后，其運(yùn)載的衛(wèi)星被送入太空，在特定軌道上運(yùn)行并開展實(shí)驗(yàn)，期間沒有其他設(shè)備和人力的輔助，完全依托衛(wèi)星裝置本身的自動(dòng)化設(shè)施。海試時(shí)，探測裝置就像“衛(wèi)星”，被布放裝置送入沒有任何輔助設(shè)施的海底后，將在海底開展自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)并回傳數(shù)據(jù)。

記者在上海交通大學(xué)李政道研究所看到，海試的探測裝置以六棱柱結(jié)構(gòu)固定了上中下三個(gè)玻璃球。中間的是發(fā)光球，以已知波長、頻率發(fā)光。上下兩個(gè)均為前文中所說的光學(xué)探測球，負(fù)責(zé)測量光到達(dá)的時(shí)間和強(qiáng)度，通過解碼光在傳播過程中的散射和吸收情況，得出海水的光學(xué)性質(zhì)。

如果把發(fā)光球比作水中的人造月亮，那么兩個(gè)探測球就像對(duì)著它拍照，霧霾天拍出來的月亮朦朦朧朧，可以根據(jù)照片分析出空氣的灰塵度，在水中同樣道理。同時(shí)，上下兩個(gè)探測球與發(fā)光球之間采取非等距設(shè)計(jì)，通過相對(duì)測量消除系統(tǒng)誤差。

“我們?cè)谌蚴状瓮瑫r(shí)使用兩套獨(dú)立的光學(xué)測量系統(tǒng)，解碼了中微子反應(yīng)的海水光學(xué)性質(zhì)。”徐東蓮介紹，團(tuán)隊(duì)提出新型混合探測球艙概念設(shè)計(jì)，在艙內(nèi)表面緊密覆蓋了多個(gè)能探測到單光子的光電倍增管，形成類似于果蠅的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，同時(shí)巧妙利用光電倍增管之間的空隙安裝超快時(shí)間響應(yīng)的硅光電倍增管，進(jìn)一步優(yōu)化中微子探測性能，無死角觀測不同方向的中微子。

首次海試完成后，團(tuán)隊(duì)全方位獲得了預(yù)選臺(tái)址的情況。那是我國海域靠近赤道位置一個(gè)深約3.5公里的深海平原，海床平整、海水清澈、海底數(shù)百米高度范圍內(nèi)流速平緩，擁有建設(shè)中微子望遠(yuǎn)鏡的良好環(huán)境。

“可見光在自來水中的衰減長度一般只有2米至3米，而預(yù)選臺(tái)址的海水平均吸收和散射長度分別約27米和63米，可以清晰‘錄制’中微子與海水反應(yīng)的蹤跡，更利于重建中微子的種類、來源的方向和攜帶的能量。”徐東蓮說。

望遠(yuǎn)鏡要在深海長年運(yùn)行，團(tuán)隊(duì)必須更加重視臺(tái)址的穩(wěn)定性和安全性。回到上海后，他們?cè)谏虾＝煌ù髮W(xué)的船舶拖曳水池中以1:25縮比例模擬了在預(yù)選臺(tái)址建站的情況。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在預(yù)選臺(tái)址的流速環(huán)境下，整個(gè)探測陣列紋絲不動(dòng)。

瞄準(zhǔn)2030前后成為全球性能最強(qiáng)

大科學(xué)裝置一般以10年為量級(jí)研制。中微子望遠(yuǎn)鏡從研制到建成會(huì)是一個(gè)漫長過程。

在上海交通大學(xué)的發(fā)布會(huì)上，我國天文學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域多位專家表達(dá)了對(duì)海鈴的期待。作為中國首個(gè)深海高能中微子望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，他們認(rèn)為海鈴會(huì)在四方面發(fā)揮作用：

一是發(fā)現(xiàn)高能天體中微子源，確切解答宇宙射線起源的世紀(jì)之謎。宇宙射線發(fā)現(xiàn)于1912年，但一百多年過去了，人們?nèi)耘f不知其來源于何處。

二是結(jié)合其他觀測手段，理解驅(qū)動(dòng)極端天體現(xiàn)象的深層物理規(guī)律。

三是推動(dòng)我國深海精密儀器及探測技術(shù)發(fā)展。

四是發(fā)起大科學(xué)計(jì)劃，凝聚世界優(yōu)秀科技人才。海鈴建成后將產(chǎn)生海量科學(xué)數(shù)據(jù)，需要聯(lián)合國際科學(xué)家完成研究。

海鈴還有望推動(dòng)中微子的研究。中微子在1930年首次被理論預(yù)言，直到1956年才被實(shí)驗(yàn)觀測到?？茖W(xué)家對(duì)其性質(zhì)的研究已多次刷新我們對(duì)基本物理規(guī)律的認(rèn)知，相關(guān)成果四次榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。但中微子仍有許多未解之謎，如其絕對(duì)質(zhì)量為多少、它們是否為自身的反粒子等。對(duì)中微子更深入的探究，或再次顛覆人們對(duì)基本物理規(guī)律的認(rèn)知。

目前，“海鈴計(jì)劃”已進(jìn)入兩步走建設(shè)階段。在科技部、上海市科委和上海交通大學(xué)的支持下，一期項(xiàng)目已于2022年底啟動(dòng)。

“一期預(yù)計(jì)2026年建成，目標(biāo)是成為世界首個(gè)近赤道的小型中微子望遠(yuǎn)鏡，可以開展銀河系內(nèi)外的天體源搜索，并驗(yàn)證建設(shè)大陣列的全鏈技術(shù)。”徐東蓮說。

一期由海底陣列、島基測控中心、崖州灣集裝基地和李政道研究所科學(xué)中心四個(gè)部分組成。首先是在預(yù)選臺(tái)址建設(shè)10根望遠(yuǎn)鏡串列，通過長距離海纜連接臨近島嶼上的測控中心（用于供電和初步數(shù)據(jù)處理），最后數(shù)據(jù)傳回到李政道研究所科學(xué)中心進(jìn)行最終分析。

終極大陣列包含1200根望遠(yuǎn)鏡串列，可監(jiān)測高能中微子反應(yīng)的海水體積約7.5立方公里，設(shè)計(jì)壽命20年。徐東蓮介紹，終極大陣列預(yù)期在2030年前后建成，基本與世界上其他在建或升級(jí)的高能中微子望遠(yuǎn)鏡同期，屆時(shí)將超過升級(jí)后的冰立方，成為國際上最先進(jìn)的中微子望遠(yuǎn)鏡。

2022年，冰立方用了10年累積的數(shù)據(jù)成像出距地球4700萬光年外的活動(dòng)星系TXS0506+056耀星體，這個(gè)活動(dòng)星系黑洞被大量塵埃覆蓋，即使是高能光子也無法逃逸，只有中微子能逃逸出來。

團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，海鈴終極大陣列建成后一年內(nèi)就能夠發(fā)現(xiàn)鯨魚座中的棒旋星系NGC1068的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類似于冰立方利用10年的數(shù)據(jù)才初步觀察到的TXS0506+056耀星體的中微子爆發(fā)。

從深海“仰望”宇宙。正如徐東蓮所說：“中微子是非常神秘的宇宙幽靈信使，也是研究極端宇宙的利器，是連接宇宙中極大和極小完美的橋梁。我們捕捉它們，見微知著，靜聽寰宇。”

（原標(biāo)題：瞭望 | 在深海聆聽“幽靈粒子”）

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