一千两百株“海藻”于深海探测中微子

一千两百株“海藻”于深海探测中微子

李政道研究所提供的“海灵计划”概念图

上海交通大学李政道研究所（以下简称“上海交通大学”）海陵团队完成我国首台深海中微子望远镜概念设计，相关论文日前在《自然天文学》杂志发表。徐东联为该论文的通讯作者，共同第一作者为上海交通大学李政道研究所博士后叶子平、博士生田伟，以及北京大学天文系博士生胡帆。

本文披露了中微子望远镜“海钟计划”的建设蓝图。该望远镜的预选地点位于南海北部约3.5公里深的深海平原，海底地势平坦，几百米范围内流速平缓，深海水中测得的放射性与普通海水公布的数据一致。中微子望远镜以整个地球为屏蔽，接收从地球另一侧穿透而来的中微子。

由于位于赤道附近，海钟可以通过地球自转探测天空360度范围内的中微子，与南极洲的冰立方和北半球的其他中微子望远镜形成补充。

项目组利用上海交通大学“思源一号”科学计算平台进行模拟计算，正式提出南海中微子望远镜“海铃计划”（英文简称）概念设计，探测器阵列由1200条垂直电缆组成，每条电缆长约700米，间距70至100米，像海藻一样垂直锚固在海底，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，总面积约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20年。

“海灵计划”由上海交通大学李政道研究所发起，旨在探索建造我国第一台深海中微子望远镜，由中科院院士景逸鹏担任项目负责人，徐东联担任首席科学家，利用中微子探索极端宇宙，为我国填补该领域的空白。

中微子是宇宙中最丰富的亚原子粒子之一（注：光子最丰富，其次是中微子），每秒钟有数百万亿个太阳中微子穿过我们的身体。中微子不带电，主要通过弱相互作用与物质发生反应，它们像幽灵一样在宇宙中穿梭，极难捕捉。目前已知的中微子有三种：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它们在空间和时间中传播的过程中，由于量子效应可以相互转化，这就是著名的中微子振荡现象。

中微子于1930年首次被理论预测，但直到1956年才被实验观测到。科学家对其性质的研究屡屡刷新我们对基本物理定律的认识，并四度荣获诺贝尔奖。关于中微子仍有许多未解之谜，例如中微子的绝对质量、是否是自身的反粒子等。对中微子的更深入探索，或将再一次颠覆人们对物理基本定律的认识。

据悉，全球最大、最灵敏的中微子望远镜选择在2500米深的南极冰层中建造其探测器阵列，该望远镜于2010年建成，2013年首次探测到弥散型地外中微子高能中微子流；2017年发现首个对应已知天文源的证据，打开了高能中微子天文学的大门。

目前，世界主要发达国家正积极筹备建设性能大幅优化的第二代中微子望远镜，将提高探测灵敏度，更精确地定位中微子源，第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。

2020年8月15日，徐东联代表“海灵计划”团队在全国高能物理发展战略研讨会（青岛）上正式提出了南海中微子望远镜“海灵计划”的建设方案和行动计划。“海灵计划”将分阶段实施，其最终大阵将包括约1200台串联望远镜，超越升级后的，预计在2030年左右成为世界最先进的中微子望远镜。

上海交通大学于2021年6月成立“海凌协作组”，依托上海交通大学在物理学、天文学、海洋工程、海洋科学、材料科学、电气工程等多学科优势，并与北京大学、清华大学、中国科学技术大学、自然资源部第二海洋研究所等科研机构相关学科开展项目合作，迄今已发展到10余个协作单位、近百名成员，推动科学、工程、技术等方面的协同发展。