中國首個深海中微子望遠鏡建設“海鈴計劃”迎來新進展

中國首個深海中微子望遠鏡建設“海鈴計劃”迎來新進展

圖說:“海鈴計劃”探路者專案團隊旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡 新民晚報記者 易蓉攝

新民晚報訊(記者 易蓉)宇宙射線在星際傳播受磁場作用發生方向偏轉,其源頭至今仍是個謎。而由宇宙射線反應而產生的中微子一旦被探測到,就能追根溯源,因此可透過探測高能天體中微子源來一錘定音地解答宇宙射線起源的百年謎題。對於這一謎題,中國已開啟從深海向宇宙的仰望,計劃在南海建設首個深海中微子望遠鏡。

記者今天從上海交通大學李政道研究所獲悉,近日,旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡的“海鈴計劃”探路者專案團隊完成各項預定海試任務並安全抵滬,為後續推進奠定堅實基礎。“海鈴計劃”透過捕捉高能天體中微子來探索極端宇宙,構建我國完備的多信使天文網,推動粒子物理、天體物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究,具備孕育多項原創科學發現的重大潛力。

當下,歐美都在以10倍靈敏度為目標積極籌建效能大大最佳化的二代中微子望遠鏡,預期在2030年前後建成,屆時中微子天文學領域或實現重大突破。“海鈴計劃”由上海交通大學李政道研究所牽頭開展,專案組組長為中國科學院院士景益鵬,首席科學家為李政道學者徐東蓮,並邀請在科學與工程各領域中具有豐富經驗的兩院院士與頂尖科學家擔任專案顧問,集合了上海交通大學物理、天文、海洋工程、海洋科學、材料、電子資訊等學科的前沿研究優勢和雄厚的工程能力,並集合了其他兄弟高校與科研院所的多股科研力量。

中微子天文學的思想起源於1960年馬可夫提出的在深海或湖裡建造切倫科夫光探測元件陣列的建議。目前在地中海的 Antares/KM3NeT和在貝加爾湖的 Baikal/GVD專案均在策劃中,但在海水中建設中微子望遠鏡難度較高,目前國際上最知名的中微子望遠鏡冰立方(IceCube),於2010年在2500米深南極冰層中建成,是世界最大的中微子探測器。

2013年,冰立方首次探測到一個來自地外的彌散高能中微子流,叩開了高能中微子天文學的大門。然而,這個中微子流既沒有集聚跡象,也沒明確地指回任何已知的天體源,這說明地球附近的宇宙中並不存在強烈輻射高能中微子的天體源。若要有效地尋找高能中微子的天體源,仍需提升下一代中微子望遠鏡的探測靈敏度。

隨著地球自轉,位於南海的“海鈴”將具有“天時地利”的優勢,建成後能夠“看到”銀河中心,真正實現全靈敏巡天。

徐東蓮介紹,“海鈴”線纜安放抗高壓光學球艙,保持在深海高水壓的環境中工作;每個球艙涵蓋幾十個光電探測器,最終形成一個巨大的格點陣列。目前團隊已在多領域實現突破,包括新型光學模組,能夠比目前裝置能力提升50-100%能力,初步模擬成果已於今年七月在國際宇宙射線大會發表。 “‘冰立方’的體積為1立方公里,我們將建設的‘海鈴’將要比冰立方大10倍,要看宇宙中的‘怪獸’——超高能中微子。要看宇宙中的‘怪獸’——超高能中微子。”而相比江門建設的探測器,“海鈴”瞄準的是能級更高的中微子。徐東蓮做出一個非常形象的比喻,“江門探測器需要編制一張精細網格的大網,以便能捕捉大海中的磷蝦;而‘海鈴’則需要編織一張捕捉鯨魚的專網。”

在深海仰望宇宙,可以遮蔽大氣紛繁的干擾。但是在深海建設巨大的探測器,還需要尋找乾淨、發光浮游生物少、海底寬闊平坦、洋流平穩的海域。此次海設是為了安裝“探路”線纜,探測海水光學、深海洋流、海底地理等特徵,航次由上海交大李政道學者徐東蓮擔任首席科學家,海洋工程學者田新亮擔任領隊,共有來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所等機構的三十餘位科研人員與技術人員共同參與。

據瞭解,“海鈴探路者”海試團隊在預定海域布放數套自研的實驗儀器,原位採集到3500米海深的超過1TB的珍貴資料,還針對全水深海水相關性質進行掃描、檢測。經初步分析,驗證了預選海域作為中微子望遠鏡候選臺址的可行性。此外,團隊還成功布放了一套可長期監測海底流場、生物活動、沉積物及檢驗望遠鏡元器件的潛標,為後續望遠鏡陣列的設計和長期運維提供依據。

田新亮介紹,“海鈴”將佔據相當於一百萬個北京水立方水體級別,將成為最大規模人造海洋結構物。他說:“我們面臨跨學科複雜難題,但是我們彙集了多學科的團隊,科學家的創造力和想象力是無限的。”

[延伸閱讀]

中微子是構成宇宙的基本單元之一,也是宇宙中數量最多的粒子。它不帶電且與物質相互作用極弱,如幽靈一般,極難被捕捉。中微子在1930年首次被理論預言,但直到1956年才被實驗觀測到。它們充滿神秘,科學家們對其性質的研究已多次重新整理我們對基本物理規律的認知,並獲得過四次諾貝爾獎的青睞。目前已知存在的中微子有三種類型,電子中微子,繆中微子和陶中微子;由於量子效應,它們在時空傳播過程中可相互轉換,類似於川劇的變臉表演,在時空轉變的剎那就能換了模樣,這就是著名的中微子振盪現象。透過建造不同的探測器來研究中微子的振盪行為,人類得以部分窺見宇宙物質形成的基本規律,但中微子本身仍有許多未解之謎,如中微子的絕對質量為幾何,它們是否為自身的反粒子等。對中微子更深入的探究,或再次顛覆我們對基本物理規律的認知。

宇宙中產生中微子的源頭有很多,如宇宙大爆炸、超新星爆發、雙中子星併合、黑洞爆發等極端的天體物理過程;如果暗物質是基本粒子,也可能透過相互湮滅或自發衰變產生中微子。由於其幽靈般的特性,中微子穿透力極強,可輕鬆逃逸極端、緻密的天體環境,攜帶著其中劇烈的物理過程資訊,是研究極端宇宙的理想信使。早在1912年,物理學家就發現地球大氣持續地經受太空高能離子(又名“宇宙射線”)的轟擊,並催生大量能到達地面的次級輻射,或與地球的生命起源演化息息相關。

徐東蓮曾在冰立方合作組中學習、工作多年,是近年來活躍在中微子天文學領域的青年學者。透過在國際大合作組的日積月累,她逐步萌發了一個“夢想”——由中國主導在南海海域建設中微子望遠鏡。2018年9月,徐東蓮回國加盟李政道研究所,同年11月她“中微子天文學的研究”專案獲得了“海外高層次青年人才專項”支援,主要開展中微子望遠鏡的選址和探測器原型樣機研發,她在國際合作組時的“夢想”逐漸被描繪成一張令人振奮的藍圖,也吸引了來自上海交大和其他高校與科研機構的一大批志同道合的科學家和工程技術專家。2020年8月徐東蓮代表“海鈴計劃”團隊,在全國高能物理發展戰略研討會(青島)上做大會邀請報告,正式提出了南海中微子望遠鏡——“海鈴計劃”的建設規劃和行動計劃。

頂部