上海交通大学李政道研究所正式发布南海中微子望远镜“海铃计划”蓝图

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“海铃计划”构想图
! Y7 L! M# {* q/ x9 t3 O  Z在中国南海北部一片深约3.5公里深海平原，将排布有1200根长约700米的垂直缆，互相间距70~100米，它们像海藻一样垂直锚定于海床之上，可以在7.5立方公里的海域探测寻找“宇宙幽灵信使”——中微子。
2023年10月10日上午，上海交通大学李政道研究所正式发布南海中微子望远镜“海铃计划”(TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）蓝图。海铃团队目前已经完成了海铃深海中微子望远镜的概念设计，相关论文于2023年10月09日发表于《自然·天文》杂志。
中微子背后藏着宇宙射线起源之谜
中微子不带电，主要通过弱相互作用与物质反 应，犹如幽灵一般在宇宙中穿行，极难被捕获，是宇宙发送的众多“信使”之一，每秒钟就有数百万亿个太阳中微子穿透我们的身体。目前已知的中微子有三种类型，电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，它们在时空传播过程中由于量子效应可相互转换，这就是著名的中微子振荡现象。
6 F0 \% K  d8 K' G1 J# j1 z2 j! `- O! I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。 宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发均伴随着大量中微子的产生。 “海铃计划”项目负责人、中国科学院院士景益鹏介绍，倘若宇宙射线其源头伴生的中微子被探测到，就能直接指回源头，确切地解答宇宙射线起源的百年谜题。
中微子在1930年首次被理论预言，但直到1956年才被实验观测到。科学家们对其性质的研究已多次刷新人们对基本物理规律的认知，并四次荣获诺贝尔奖。
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中微子天文
$ t! b5 [- Z- p; E2 r% |2 |$ i7 ?# z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。该望远镜于2010年建成，2013年便首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流；2017年首次发现对应已知的天体源证据，叩开了高能中微子天文学的大门。
3 T1 S0 b) q+ ?6 V  h! M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。
) [) ^, n4 @4 n" X# p! g9 r6 f填补我国在中微子监测领域空白
据介绍，“海铃”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。
. p3 r* y+ \. j, g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完美的互补。
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。
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。
$ R" o: Z- `# T$ g我国在多波段望远镜、空间引力波和低能中微子观测站均已有布局，海铃深海中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网中尚且空缺的重要一环，极大促进和完善我国建立的多信使天文观测网 ，并推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究。
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# P2 q, p/ M# S) o" q7 I; x$ @海铃探路者出海人员合影
* a- X% @7 B) y' o# Y$ z2021年09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。本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，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、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八十位科研人员与技术人员共同参与。
自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，已启动海铃一期项目。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。
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信息来源：上海交通大学。
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