中国南海深海处将增加一双新的“眼睛”，寻找来自宇宙深处的“信使”。上海交通大学李政道研究所今天（10日）正式发布南海大型中微子望远镜阵列“海铃计划”（ TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）蓝图。这一离赤道最近的中微子望远镜阵列将利用整个地球作为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子，并通过地球的自转探测360度全天域的中微子，同时，与现有的国际合作项目——南极冰立方以及北半球的其他中微子望远镜形成完美互补，共同溯源并探寻宇宙的奥秘。这是记者今天获悉的消息。

按照规划，海铃中微子望远镜阵列将在2026年成为世界首个近赤道的小型中微子望远镜，开展对银河系内外的天体源搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证；海铃终极大阵列将包括约1200根望远镜串列，直径约4公里，总占地面积约为12平方公里，超越升级后的冰立方，预期在2030年前后成为国际上最先进的中微子望远镜。

上图为海铃计划构想图

目前，我国在多波段望远镜（如LHAASO，HXMT/eXTP，CSST, FAST）、空间引力波（如太极和天琴）和低能中微子观测站（JUNO）均已有布局。而从深空、深地到深海，海铃深海中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网中尚且空缺的重要一部分。

海铃中微子望远镜概念设计的相关论文已于2023年10月09日发表于《自然·天文》杂志。

四获诺奖的中微子研究仍有诸多未解之谜

中微子于1930年首次被理论预言，但直到1956年才被实验观测到。中微子不带电，主要通过弱相互作用与物质反应，犹如幽灵一般在宇宙中穿行，极难被捕获。每秒钟就有数百万亿个太阳中微子穿透我们的身体。目前已知的中微子有三种类型，电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，它们在时空传播过程中由于量子效应可相互转换，这就是著名的中微子振荡现象。

据中国科学院院士、上海交大物理天文学院景益鹏教授介绍，宇宙中常常会产生“暴力事件”，如黑洞与中子星的互相碰撞等，这在物理学和天文学中是特别重要的事件。但是在这些“暴力事件”中，光子往往会被吸收、散射，虽然很重要但是会有信息丢失，因此我们需要产生于核心区并透过核心区的信息。而中微子幽灵般的极强穿透力，可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，是研究极端宇宙的理想信使。比如，宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发均伴随大量中微子的产生，探测到这些中微子将帮助我们理解这些剧烈过程背后的机制。再比如，宇宙中的高能离子，即宇宙射线在百年前就被发现，通常认为它们起源于多种剧烈的天体过程，但由于宇宙射线在星际传播受磁场作用发生偏转，无法直接“溯源”。倘若我们能探测到宇宙射线源头伴生的中微子，就能直接溯源，确切解答宇宙射线起源的百年谜题。

科学家对中微子性质的研究已多次刷新我们对基本物理规律的认知，并四获诺贝尔奖。但其仍有许多未解之谜，如中微子绝对质量为多少、它们是否为自身的反粒子等。对中微子更深入的探究，或再次颠覆人们对基本物理规律的认知。

处于重大突破门槛的中微子天文学是多信使天文学时代的重要部分

中微子天文学的思想起源于1960年苏联物理学家马可夫提出的在深海或湖里建造切伦科夫光探测元件阵列的构想。因为中微子会与水中的粒子发生碰撞并且发光，可以利用光探测中微子。

目前国际世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方（IceCube）选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。2010年刚刚建成，就于2013年首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流；2017年首次发现对应已知的天体源证据，叩开了高能中微子天文学的大门。2015年，LIGO实验首次通过引力波“听”到了两个黑洞合并的壮观场景。这两大发现标志着结合光子、引力波和中微子携带信息揭开宇宙奥秘的新时代的来临：多信使天文学时代。

此外，在地中海的KM3NeT和在贝加尔湖的Baikal-GVD项目均有部分深水中微子望远镜阵列在运行中。当下，世界主要发达国家都在积极地筹建性能大大优化的二代中微子望远镜，在提升探测灵敏度的同时更精确地定位中微子源。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。中微子天文学正处于重大突破的门槛上。

“海铃计划”填补中国中微子深海望远镜阵列的空白

上海交通大学李政道研究所于2019年发起并牵头的“海铃计划”旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜，希望通过捕捉高能（亚TeV到PeV量级）天体中微子来探索极端宇宙，为我国填补该领域的空白，推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究，孕育多项原创科学发现，为人类文明做出重要的科学贡献。

项目由中国科学院院士景益鹏担任项目负责人、李政道学者徐东莲担任首席科学家。

正是得益于“十二五”以来我国在深海工程技术方面的飞速发展，建设深海中微子望远镜才成为可能。这也正是我国在中微子天文学这一新兴领域迎头赶上甚至超越国际前沿的科学时机。

项目于2020年8月正式提出，其后在仅一年的有限时间窗，上海交大李政道研究所、物理天文学院、船建学院的团队合作研制了适用于4000米深海环境、携带高灵敏感光元件的探测球舱和相应的深海布放系统。

2021年09月初，由上海交大牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务。这一航次由徐东莲担任首席科学家，海洋工程专家田新亮担任领队，共有来自上海交通大学、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、向阳红03号科考船等机构的近八十位科研人员与技术人员共同参与。

之所以在南海设置中微子望远镜，是因为在预选台址的3500米深处的深海平原，海床平整、海底数百米高度范围内流速非常平缓，而且海水平均吸收和散射长度分别为约27米和63米。相比之下，普通的自来水衰减长度常常只有2-3米。清澈的海水可更清晰地“录制”中微子与海水反应的踪迹，更有利于重建中微子的种类、来源的方向和携带的能量。

探测器阵列由1200根垂直线缆组成，每根线缆长约700 米，互相间距70-100米，像海藻一样垂直锚定于海床上，并搭载约20个高分辨率光学探测球舱。海铃团队创新提出新型混合探测球舱概念设计，将舱内表面紧密覆盖了多个能探测到单光子的光电倍增管（PMT），形成类似于果蝇的复眼结构，同时巧妙地利用PMT之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增管，进一步优化中微子探测性能，将能实现无死角地观测不同方向的中微子。

预计海铃阵列建成后一年内就能够发现鲸鱼座（Constellation Cetus）中的棒旋星系NGC 1068的稳定中微子源，并发现类似于冰立方利用十年的数据才初步观察到的TXS 0506+056耀星体（一个正在吞噬物质的超大质量黑洞）的中微子爆发。

正是在这些重要结果基础上，海铃团队完成了海铃中微子望远镜的概念设计，徐东莲是相关论文的通讯作者，共同第一作者为交大李政道研究所的博士后叶子平、博士生田玮，以及北京大学天文系博士生胡帆。

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