在3.5公里深的海底，中國2030年將建成國際最先進中微子望遠鏡

“海鈴計劃”構想圖。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個光學模塊，線纜位於海洋下方約3500米深處，監測體積為 (4 x 4 x 0.5) 立方公里。 本文圖片 上海交通大學提供 

“我們想像一下，在3.5公里深的海底要建造一個望遠鏡，它可以朝下看，是反直覺的。”10月10日，在南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”的藍圖發佈會上，中國科學技術大學教授盧征天這樣形容，“它看的是穿過整個地球的中微子，它們來自遙遠的星系，可能是上億年前甚至上幾十億年前產生的中微子。這是一個多麼大膽、多麼富有想像力的計劃。”

10月10日，徐東蓮介紹“海鈴計劃”。

“海鈴計劃” （英文：TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）由上海交通大學李政道研究所發起並牽頭，旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，項目由中國科學院院士景益鵬擔任項目負責人、李政道學者徐東蓮擔任首席科學家。項目將通過捕捉高能（亞TeV到PeV量級）天體中微子來探索極端宇宙，為我國填補該領域的空白，加速構建我國完備的多信使天文網。近日，項目發佈最新研究進展及規劃藍圖。

2022年底，在科技部、上海科學技術委員會和上海交通大學的支持下，海鈴一期項目已啟動。預計2026年成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，開展對銀河系內外的天體源搜索，並完成建設大陣列的全鏈技術驗證。

預期在2030年前後，“海鈴計劃”將建成國際上最先進的中微子望遠鏡。“海鈴計劃”的終極大陣列將包括約1200根望遠鏡串列，像海藻一樣垂直錨定於海床上。海鈴陣列直徑約4公里，總占地面積約為12平方公里，可監測高能中微子反應的海水體積約7.5立方公里，設計壽命為20年。

微子天文。中微子可輕鬆逃逸極端、緻密的宇宙和天體環境，並在宇宙中傳播不因磁場而改變方向，是追根溯源、研究極端天體現象的理想信使。

“捕獲”中微子，探索極端宇宙

中微子天文學的重要性何在？

1609年伽利略發明瞭望遠鏡，極大推動了天文學的發展。此後400多年，眾多的天文觀測依然主要基於捕捉宇宙中傳來的光子來實現，但光子僅僅是宇宙發送的眾多“信使”之一。為了進一步揭開宇宙起源與演化的奧秘，人類不斷地嚐試著探尋其它信使的蹤影。

中微子是宇宙中數量最多的次原子粒子之一。由於其如幽靈般極強的穿透力，中微子可輕鬆逃逸極端、緻密的宇宙和天體環境而不改變方向，是研究極端宇宙的理想信使。對中微子更深入的探索，或再次顛覆人們對基本物理規律的認知，確切地解答宇宙射線起源的百年謎題。

中微子天文學的思想起源於1960年蘇聯物理學家馬可夫提出的在深海或湖里建造切倫科夫光探測元件陣列的構想。2010年，目前國際世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方（IceCube）建成，其探測器陣列建在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項目均有部分深水中微子望遠鏡陣列在運行中。

中微子天文學正處於重大突破的門檻上。當下，世界主要發達國家都在積極地籌建性能大大優化的二代中微子望遠鏡，在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。二代望遠鏡的建成，有望催生中微子天文學和基礎物理學的新突破。

2021年項目團隊完成首次海試任務

“陣列在洋流的作用下有微微跳舞的感覺，中微子信號一來，如果我們用浪漫的心態去觀測圖像的話，它就像信號撥過鈴鐺的陣列，給我們帶來遙遠宇宙深處的訊息，因此命名為‘海鈴計劃’。”項目首席科學家、上海交通大學李政道學者徐東蓮曾在2021年的採訪中向記者描述。

2021年9月初，由上海交通大學牽頭的“海鈴探路者”項目團隊完成首次海試任務。該航次由徐東蓮擔任航次首席科學家，海洋工程專家田新亮擔任領隊，近八十名科研人員與技術人員共同參與。

在此前僅一年極有限的研發時間窗里，上海交大李政道研究所、物理天文學院、船建學院的團隊合作研製了適用於4000米深海環境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應的深海布放系統。合作單位中，中國科技大學團隊完成了光電管測試、後端電子學研製，清華大學團隊完成了高精度時鍾同步系統，自然資源部第二、第三海洋研究所團隊主導了包括流速剖面、溫度、鹽度等深海水文數據的採集和分析。本次海試成功測量了預選海域的深海流速、原位海水光學性質、放射性本底，驗證了候選海域作為中微子望遠鏡台址的可行性，為“海鈴計劃”的後續推進奠定了基礎。

海鈴團隊在這些重要結果基礎之上，完成了海鈴中微子望遠鏡的概念設計，相關論文於2023年10月9日發表於《自然·天文》雜誌。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後葉子平、博士生田瑋以及北京大學天文系博士生胡帆為共同第一作者。

聚焦深海中微子望遠鏡建設，李政道研究所“海鈴計劃”團隊獲重大進展，10月9日成果發表於《自然·天文》雜誌。

預計陣列建成後一年內，能夠發現棒旋星系NGC 1068的穩定中微子源

論文中詳盡論述了預選台址擁有建設中微子望遠鏡的良好深海環境，台址位於南海北部的一個深約3.5公里的深海平原，海床平整、海底數百米高度範圍內流速非常平緩。深海海水測量的放射性與普通海水的公開數據一致。中微子望遠鏡利用整個地球作為屏蔽體，接收從地球對面穿透而來的中微子。由於位於赤道附近，海鈴可以通過地球的自轉探測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鏡形成了互補。

徐東蓮介紹，預選台址海水的光學屬性滿足建設大型望遠鏡陣列的要求。探路者團隊通過部署自研的高靈敏感光元件探測球艙，首次實現同時使用兩套獨立的光學測量系統（光電倍增管系統和相機系統），在預選台址約3420米水深原位測量了海水的光學性質，結果顯示其平均吸收和散射長度分別為約27米和63米。相比之下，普通的自來水衰減長度常常只有2-3米。清澈的海水可更清晰地“錄製”中微子與海水反應的蹤跡，更有利於重建中微子的種類、來源的方向和攜帶的能量。在候選台址成功布放探測球艙也部分驗證了未來海鈴望遠鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數據採集系統、數據分析與模擬、深海潛標布放等核心技術。

基於上述結果，項目組利用上海交大“思源一號”科學計算平台進行模擬計算，正式提出南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”的概念設計。探測器陣列由1200根垂直線纜組成，每根線纜長約700 米，互相間距70-100米，像海藻一樣垂直錨定於海床上，並搭載約20個高解像度光學探測球艙。海鈴陣列直徑約4公里，總占地面積約為12平方公里，可監測高能中微子反應的海水體積約7.5立方公里，設計壽命為20年。

海鈴團隊創新提出新型混合探測球艙概念設計，將艙內表面緊密覆蓋了多個能探測到單光子的光電倍增管（PMT），形成類似於果蠅的複眼結構，同時巧妙地利用PMT之間的空隙安裝超快時間響應的矽光電倍增管，進一步優化中微子探測性能，將能實現無死角地觀測不同方向的中微子。

據介紹，預計海鈴陣列建成後一年內，就能夠發現鯨魚座（Constellation Cetus）中的棒旋星系NGC 1068的穩定中微子源，併發現類似於冰立方利用十年的數據才初步觀察到的TXS 0506+056耀星體（一個正在吞噬物質的超大質量黑洞）的中微子爆發。

“這是一個巨大的深海大型密集潛標陣列，是一個前所未見的深海大工程，因此全球範圍內目前還沒有成熟的經驗。”田新亮介紹，“海鈴計劃”還將面對如何將密集陣列安全精準地安裝到海底、如何應對海底極端災害環境、如何運行和維護望遠鏡陣列、如何為深海大陣列供電及數據傳輸等等具體挑戰。

“像是要在3.5公里深的海底種水稻。可以說‘海鈴計劃’不僅是基礎科學的前沿探索，更是深海技術的練武場。‘海鈴計劃’的實施也將大力推動我國深海工程裝備和技術的提升。”田新亮說。