科学网—“海铃计划”开启“从深海看宇宙”时代
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2026-10-27 05:19
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不久前公布的2026年诺贝尔物理学奖授予了设想利用南极冰川冰捕获中微子的科学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰其“对冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）的决定性贡献，以及发现具有天体物理起源的高能中微子”。诺奖报告在展望下一代中微子望远镜时，提到了由上海交通大学李政道研究所发起并牵头的中国首个深海中微子望远镜项目——“海铃计划”（TRIDENT）。上海交通大学物理与天文学院副教授、李政道研究所长聘学者徐东莲曾在“冰立方”工作逾十年，参与探测器标定、数据分析及宇宙高能中微子相关的重要科学研究，也是“海铃计划”的首席科学家。在近日于上海科技馆举行的上海科普大讲坛讲座中，徐东莲以宇宙谜题开篇，阐释了中微子作为“宇宙幽灵信使”的独特优势，介绍了“海铃计划”的最新进展，并分享了团队在深海选址、技术攻关、设备迭代、国际合作等方面的历程。
为何深海适合探测“宇宙信使”中微子？
科学家迄今已发现3种中微子——电子中微子、μ（缪）中微子和τ（陶）中微子，在构成物质世界的已知12种基本粒子中，中微子家族占了1/4。中微子的诞生往往与宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发等宇宙中的极端事件有关。普通的宇宙粒子在穿梭宇宙的过程中，会被星际气体、尘埃遮挡，还会被宇宙磁场偏转路线，抵达地球时早已丢失大量原始信息。而中微子则不同。它是一种不带电的基本粒子，几乎没有质量。通常，它会悄无声息地穿过物质；只有在极少数情况下，它才会因与原子核相碰撞而被察觉到存在。每秒钟有650亿个来自太阳的中微子穿过人的手指甲，而人们对此却全然无觉。这种来无影去无踪、宛如幽灵的特性，使中微子极难通过常规手段被捕捉到，也使它获得了一个形象的别名——“幽灵粒子”。由于中微子所携带的宇宙信息人类依靠望远镜、电磁波等所有传统观测手段都无法获取，而它的穿透力又非常强，在茫茫宇宙、恒星星体，甚至地球本体都畅通无阻，飞行过程中不会跑偏方向，也不会损耗能量，即便在极端宇宙中那些致密到连光都无法穿透的区域，它也能轻易逃逸而出，因此，中微子是科学家探索它们诞生之处极端宇宙环境的理想信使。
“ 它跟光不一样，光穿过去你能看见，中微子穿过去都不怎么会发生反应，而且即使发生反应，也是与原子核中的夸克相互作用，释放出微弱的蓝光。正因为如此，探测中微子需要极为纯净透明、体量庞大的天然介质，例如南极的冰川或深海的海水。”
徐东莲告诉听众，早在1976年，就有年轻的美国科学家提议到4800米深的夏威夷海里建设深海中微子望远镜。但当时的深海工程技术比较有限，很难做到。研发了近20年，到1993年，第一根探测串列被布放到4800米深的海里几小时后，就漏水了。所以整个项目就宣布失败。1995年，美国能源部终止了这个项目。
哈尔岑首次提出在南极捕获中微子的构想是在1988年。之前他在研究宇宙粒子时，听说苏联研究人员计划在南极洲使用无线电接收器捕捉中微子信号。这一构想的原理是：当中微子与冰中的原子核碰撞时，会产生电火花，进而发出无线电波。如果无线电波足够强，就可以用无线电天线接收。哈尔岑从中受到启发并意识到：还可以采用另一种方法，即在冰川冰中安装光传感器来寻找碰撞产生的闪光。他很快说服了众人，使他们认识到这一构想的巨大潜力。1992年，一群坚持不懈的研究人员和工程师首次尝试将光传感器放到南极的冰川之中。2004年，他们开始挖洞、建南极冰立方的第一根探测串列。“但由于《南极公约》规定南极大陆只能用于科学研究，普通人很难去到那里。哈尔岑教授自己甚至没有去过南极，他把机会留给了更多去那里拧螺丝、搬砖的一线工作人员。”徐东莲透露。
“海铃计划”可与南极“冰立方”形成良好竞争与互补
但南极冰川尘埃多、散射强，使得观测精度受限，南极冰立方捕捉到的绝大多数中微子来源迄今尚未知晓。全球科学家花了几十年，也仅捕捉到几百个高能天体的中微子，难以研究深层规律。好消息是，欧洲地中海地区也在一边建设一边运行深海中微子望远镜。2023年，那里的科学家观测到一个自人类观测中微子以来最“红”的中微子。之前借助设施体量远在其上的南极“冰立方”，科学家都从未观测到过那么高能的事件。那么，处在与南极“冰立方”不同地理位置和天区的深海中微子望远镜能以更小的体量看到比冰立方捕捉到的更高能的粒子，这是什么原因呢？这个中微子从哪里来？如何产生？又是什么样的机制使它获得了这么大的能量？这些问题都还没有答案。这也是我国决定建造一台更强的中微子望远镜以助力科学家们捕捉这类“幽灵”信号的重要原因。
据介绍，全球筹划中的二代中微子望远镜还有4个，分别是欧盟1立方千米的KM3NeT、俄罗斯1立方千米的Baikal-GVD、加拿大1立方千米的P-One，以及美国计划扩大到8立方千米的“冰立方二代”。“海铃计划”的目标是建成探测水体体积达10立方千米的中微子望远镜阵列，不仅体积是“冰立方”的10倍，且探测精度明显优于“冰立方”。
部署于3500米深西沙海域一片海底大平原的“海铃计划”（TRIDENT中微子望远镜）顾名思义，是指建成后的它就像一个布设在海底的“风铃阵”：由上千根潜标串起两万多个形似玻璃球的探测球舱，整串漂浮在海底，捕捉宇宙中神秘的微弱信号。不过不同于对种对于微观世界的诗意表达，徐东莲指出：“透过望远镜看到真实的中微子反应过程是非常剧烈的。”
“因为地处赤道附近这一低纬度台址，所以随着地球的自转，它的探测灵敏天区是均匀扫过全天的，可以与‘冰立方’形成良好的竞争和互补关系。另一方面，由于深水水体里的散射非常少，所以一个中微子在发生反应之后，在水里可以得到比在冰里更清晰的图像，从而可以大幅提升中微子望远镜的指向能力。”徐东莲如是表述“海铃计划”选址的意义，并介绍了该选址带来的新挑战——“如果把南极的冰川想象成一块固定的镜子，深海的海水则是动态的观测介质，阵列在微弱的洋流下摆动，会给工程和整个系统的运维带来更大的挑战。”但她信心满满地表示，自己所在团队经过8年的研发和攻关，已经攻克了在我国水域建设下一代中微子望远镜所面临的全部技术瓶颈。中秋假期里，团队到南海布放了“海铃”首根全功能中微子探测串列样机，已接入南海海底科学观测网，实现了深海持续供电、实时数据采集与岸基回传。截至目前，串列持续稳定工作，初步数据分析成功识别出了具有大气缪子特征的高能粒子候选事例。徐东莲和同事们希望明年能建成“海铃一期”，完成在我国海域建设中微子望远镜的全链工程技术验证。
驱动我国深海科技能力和工业体系的提升
徐东莲边播放视频，边向听众讲解深海中微子望远镜这一前沿大科学装置的构成：深海光学探测球舱20个一组，整齐地悬挂在两根长达700米的缆绳上。每根缆绳的一头固定在海底的海床上，另一头由浮力块向上牵引，这样，它就能够在水里垂直地竖立起来，形成一根探测潜标。整个的“海铃计划”要布设上千根像这样的潜标，需要两万多个探测球舱和一个安全且高效的布放装置。研究团队从蜘蛛吐丝的连续性与可控性中获得灵感，研发出了攻克超长柔性线缆的深海精准布放这一难题的“蜘蛛系统”。此外，“海铃计划”在探测球舱上也做了不少国际首次的尝试。比如，首次将传统的光电倍增管和硅基光电探测器结合在了一起，使探测信号的反应速度更快、方向判断更准；采用了像昆虫复眼的设计，使探测球舱的几乎整个球面都能够感光，从而更适合在复杂多变的海水环境中全方位地捕捉微弱的信号。科研团队还首创了实时光学标定系统，能够根据海水透明度和洋流变化自动校准，使“望远镜”始终保持清晰的“对焦”。这些创新，既解决了深海环境下探测不稳、信号容易失真的难题，也使“海铃计划”成为了国际中微子研究领域最受关注的项目之一。
徐东莲指出，建设这样一个中微子探测装置，对于我国深海科技能力和整个工业体系的提升会形成很大的驱动，多方都有机会在其中协同进步。据悉，“海铃”探测器在研制过程中与国内多家排在领域较前列的科技企业开展了深入合作，对业界发挥了辐射、推动作用。“海铃计划”中由精密、智能的深海观测阵收集上来的数据除了可以服务探测天体中微子，还可以支撑海洋里的能量输送、碳输运、深海发光生物体研究和海洋环境监测等多学科研究。
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