“海鈴計(jì)劃”構(gòu)想圖。陣列成潘路斯（Penrose）密鋪幾何，約有1200條垂直線纜，每條線纜上約有20個(gè)光學(xué)模塊，線纜位于海洋下方約3500米深處，監(jiān)測(cè)體積為 (4 x 4 x 0.5) 立方公里。 本文圖片 上海交通大學(xué)提供 

“我們想象一下，在3.5公里深的海底要建造一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，它可以朝下看，是反直覺(jué)的?！?0月10日，在南海中微子望遠(yuǎn)鏡“海鈴計(jì)劃”的藍(lán)圖發(fā)布會(huì)上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授盧征天這樣形容，“它看的是穿過(guò)整個(gè)地球的中微子，它們來(lái)自遙遠(yuǎn)的星系，可能是上億年前甚至上幾十億年前產(chǎn)生的中微子。這是一個(gè)多么大膽、多么富有想象力的計(jì)劃?！?/p>

10月10日，徐東蓮介紹“海鈴計(jì)劃”。

“海鈴計(jì)劃” （英文：TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）由上海交通大學(xué)李政道研究所發(fā)起并牽頭，旨在探索建設(shè)中國(guó)首個(gè)深海中微子望遠(yuǎn)鏡，項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院院士景益鵬擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、李政道學(xué)者徐東蓮擔(dān)任首席科學(xué)家。項(xiàng)目將通過(guò)捕捉高能（亞TeV到PeV量級(jí)）天體中微子來(lái)探索極端宇宙，為我國(guó)填補(bǔ)該領(lǐng)域的空白，加速構(gòu)建我國(guó)完備的多信使天文網(wǎng)。近日，項(xiàng)目發(fā)布最新研究進(jìn)展及規(guī)劃藍(lán)圖。

2022年底，在科技部、上?？茖W(xué)技術(shù)委員會(huì)和上海交通大學(xué)的支持下，海鈴一期項(xiàng)目已啟動(dòng)。預(yù)計(jì)2026年成為世界首個(gè)近赤道的小型中微子望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)展對(duì)銀河系內(nèi)外的天體源搜索，并完成建設(shè)大陣列的全鏈技術(shù)驗(yàn)證。

預(yù)期在2030年前后，“海鈴計(jì)劃”將建成國(guó)際上最先進(jìn)的中微子望遠(yuǎn)鏡?！昂ｂ徲?jì)劃”的終極大陣列將包括約1200根望遠(yuǎn)鏡串列，像海藻一樣垂直錨定于海床上。海鈴陣列直徑約4公里，總占地面積約為12平方公里，可監(jiān)測(cè)高能中微子反應(yīng)的海水體積約7.5立方公里，設(shè)計(jì)壽命為20年。

微子天文。中微子可輕松逃逸極端、致密的宇宙和天體環(huán)境，并在宇宙中傳播不因磁場(chǎng)而改變方向，是追根溯源、研究極端天體現(xiàn)象的理想信使。

“捕獲”中微子，探索極端宇宙

中微子天文學(xué)的重要性何在？

1609年伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，極大推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。此后400多年，眾多的天文觀測(cè)依然主要基于捕捉宇宙中傳來(lái)的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)，但光子僅僅是宇宙發(fā)送的眾多“信使”之一。為了進(jìn)一步揭開(kāi)宇宙起源與演化的奧秘，人類(lèi)不斷地嘗試著探尋其它信使的蹤影。

中微子是宇宙中數(shù)量最多的次原子粒子之一。由于其如幽靈般極強(qiáng)的穿透力，中微子可輕松逃逸極端、致密的宇宙和天體環(huán)境而不改變方向，是研究極端宇宙的理想信使。對(duì)中微子更深入的探索，或再次顛覆人們對(duì)基本物理規(guī)律的認(rèn)知，確切地解答宇宙射線起源的百年謎題。

中微子天文學(xué)的思想起源于1960年蘇聯(lián)物理學(xué)家馬可夫提出的在深?；蚝锝ㄔ烨袀惪品蚬馓綔y(cè)元件陣列的構(gòu)想。2010年，目前國(guó)際世界最大、最靈敏的中微子望遠(yuǎn)鏡冰立方（IceCube）建成，其探測(cè)器陣列建在2500米深的南極冰層中。此外，在地中海的KM3NeT和在貝加爾湖的Baikal-GVD項(xiàng)目均有部分深水中微子望遠(yuǎn)鏡陣列在運(yùn)行中。

中微子天文學(xué)正處于重大突破的門(mén)檻上。當(dāng)下，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極地籌建性能大大優(yōu)化的二代中微子望遠(yuǎn)鏡，在提升探測(cè)靈敏度的同時(shí)更精確地定位中微子源。二代望遠(yuǎn)鏡的建成，有望催生中微子天文學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)的新突破。

2021年項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成首次海試任務(wù)

“陣列在洋流的作用下有微微跳舞的感覺(jué)，中微子信號(hào)一來(lái)，如果我們用浪漫的心態(tài)去觀測(cè)圖像的話，它就像信號(hào)撥過(guò)鈴鐺的陣列，給我們帶來(lái)遙遠(yuǎn)宇宙深處的訊息，因此命名為‘海鈴計(jì)劃’。”項(xiàng)目首席科學(xué)家、上海交通大學(xué)李政道學(xué)者徐東蓮曾在2021年的采訪中向記者描述。

2021年9月初，由上海交通大學(xué)牽頭的“海鈴探路者”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成首次海試任務(wù)。該航次由徐東蓮擔(dān)任航次首席科學(xué)家，海洋工程專(zhuān)家田新亮擔(dān)任領(lǐng)隊(duì)，近八十名科研人員與技術(shù)人員共同參與。

海鈴探路者出海人員合影。

在此前僅一年極有限的研發(fā)時(shí)間窗里，上海交大李政道研究所、物理天文學(xué)院、船建學(xué)院的團(tuán)隊(duì)合作研制了適用于4000米深海環(huán)境、攜帶高靈敏感光元件的探測(cè)球艙和相應(yīng)的深海布放系統(tǒng)。合作單位中，中國(guó)科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了光電管測(cè)試、后端電子學(xué)研制，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了高精度時(shí)鐘同步系統(tǒng)，自然資源部第二、第三海洋研究所團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)了包括流速剖面、溫度、鹽度等深海水文數(shù)據(jù)的采集和分析。本次海試成功測(cè)量了預(yù)選海域的深海流速、原位海水光學(xué)性質(zhì)、放射性本底，驗(yàn)證了候選海域作為中微子望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址的可行性，為“海鈴計(jì)劃”的后續(xù)推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

海鈴團(tuán)隊(duì)在這些重要結(jié)果基礎(chǔ)之上，完成了海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡的概念設(shè)計(jì)，相關(guān)論文于2023年10月9日發(fā)表于《自然·天文》雜志。徐東蓮為該論文的通訊作者，上海交大李政道研究所的博士后葉子平、博士生田瑋以及北京大學(xué)天文系博士生胡帆為共同第一作者。

聚焦深海中微子望遠(yuǎn)鏡建設(shè)，李政道研究所“海鈴計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)獲重大進(jìn)展，10月9日成果發(fā)表于《自然·天文》雜志。

預(yù)計(jì)陣列建成后一年內(nèi)，能夠發(fā)現(xiàn)棒旋星系NGC 1068的穩(wěn)定中微子源

論文中詳盡論述了預(yù)選臺(tái)址擁有建設(shè)中微子望遠(yuǎn)鏡的良好深海環(huán)境，臺(tái)址位于南海北部的一個(gè)深約3.5公里的深海平原，海床平整、海底數(shù)百米高度范圍內(nèi)流速非常平緩。深海海水測(cè)量的放射性與普通海水的公開(kāi)數(shù)據(jù)一致。中微子望遠(yuǎn)鏡利用整個(gè)地球作為屏蔽體，接收從地球?qū)γ娲┩付鴣?lái)的中微子。由于位于赤道附近，海鈴可以通過(guò)地球的自轉(zhuǎn)探測(cè)360度全天域的中微子，與南極冰立方以及北半球的其他中微子望遠(yuǎn)鏡形成了互補(bǔ)。

預(yù)選海址處低緯度近赤道地帶，隨著地球的自轉(zhuǎn)，可360度巡天，與南極冰立方以及北半球的其他中微子望遠(yuǎn)鏡形成了互補(bǔ)。

徐東蓮介紹，預(yù)選臺(tái)址海水的光學(xué)屬性滿足建設(shè)大型望遠(yuǎn)鏡陣列的要求。探路者團(tuán)隊(duì)通過(guò)部署自研的高靈敏感光元件探測(cè)球艙，首次實(shí)現(xiàn)同時(shí)使用兩套獨(dú)立的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（光電倍增管系統(tǒng)和相機(jī)系統(tǒng)），在預(yù)選臺(tái)址約3420米水深原位測(cè)量了海水的光學(xué)性質(zhì)，結(jié)果顯示其平均吸收和散射長(zhǎng)度分別為約27米和63米。相比之下，普通的自來(lái)水衰減長(zhǎng)度常常只有2-3米。清澈的海水可更清晰地“錄制”中微子與海水反應(yīng)的蹤跡，更有利于重建中微子的種類(lèi)、來(lái)源的方向和攜帶的能量。在候選臺(tái)址成功布放探測(cè)球艙也部分驗(yàn)證了未來(lái)海鈴?fù)h(yuǎn)鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測(cè)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)。

基于上述結(jié)果，項(xiàng)目組利用上海交大“思源一號(hào)”科學(xué)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行模擬計(jì)算，正式提出南海中微子望遠(yuǎn)鏡“海鈴計(jì)劃”的概念設(shè)計(jì)。探測(cè)器陣列由1200根垂直線纜組成，每根線纜長(zhǎng)約700 米，互相間距70-100米，像海藻一樣垂直錨定于海床上，并搭載約20個(gè)高分辨率光學(xué)探測(cè)球艙。海鈴陣列直徑約4公里，總占地面積約為12平方公里，可監(jiān)測(cè)高能中微子反應(yīng)的海水體積約7.5立方公里，設(shè)計(jì)壽命為20年。

海鈴團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出新型混合探測(cè)球艙概念設(shè)計(jì)，將艙內(nèi)表面緊密覆蓋了多個(gè)能探測(cè)到單光子的光電倍增管（PMT），形成類(lèi)似于果蠅的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，同時(shí)巧妙地利用PMT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(cè)性能，將能實(shí)現(xiàn)無(wú)死角地觀測(cè)不同方向的中微子。

據(jù)介紹，預(yù)計(jì)海鈴陣列建成后一年內(nèi)，就能夠發(fā)現(xiàn)鯨魚(yú)座（Constellation Cetus）中的棒旋星系NGC 1068的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類(lèi)似于冰立方利用十年的數(shù)據(jù)才初步觀察到的TXS 0506+056耀星體（一個(gè)正在吞噬物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞）的中微子爆發(fā)。

“這是一個(gè)巨大的深海大型密集潛標(biāo)陣列，是一個(gè)前所未見(jiàn)的深海大工程，因此全球范圍內(nèi)目前還沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)?！碧镄铝两榻B，“海鈴計(jì)劃”還將面對(duì)如何將密集陣列安全精準(zhǔn)地安裝到海底、如何應(yīng)對(duì)海底極端災(zāi)害環(huán)境、如何運(yùn)行和維護(hù)望遠(yuǎn)鏡陣列、如何為深海大陣列供電及數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊染唧w挑戰(zhàn)。

“像是要在3.5公里深的海底種水稻。可以說(shuō)‘海鈴計(jì)劃’不僅是基礎(chǔ)科學(xué)的前沿探索，更是深海技術(shù)的練武場(chǎng)?！ｂ徲?jì)劃’的實(shí)施也將大力推動(dòng)我國(guó)深海工程裝備和技術(shù)的提升。”田新亮說(shuō)。