我國又一個深海大科學裝置正在建設！上海交通大學團隊在南海海底3500米處打造中微子“望遠鏡”

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觀海局

我國又一個大科學裝置正在緊鑼密鼓推進建設，中國科學家要在深海海底3500米深處打造一臺全球領先的中微子“望遠鏡”，這就是由上海交通大學科研團隊主導實施的“海鈴計劃”。

完成探測器布放裝置海試

明年初投入建設

近日，“海鈴計劃”取得關鍵進展，海底“望遠鏡”關鍵裝置——光電探測器柔性潛標專用載具已經成功完成海試。經過本輪驗證，首批“海鈴計劃”的探測潛標有望在明年投入建設。本期的《科技推動力》，總臺央視記者張春玲獨家探訪“海鈴計劃”的項目團隊，一起來了解下這個深海里的“望遠鏡”，要怎樣捕捉我們身邊無處不在、又難以發現的中微子。

• “海鈴計劃”：在深海海底打造中微子“望遠鏡”

這臺即將在南海海底3500米深處建造的全球領先的中微子“望遠鏡”，它有一個無比形象的名字叫“海鈴計劃”，它就像藏在深海里神秘“耳朵”，“聆聽”著宇宙中最神秘的幽靈粒子——中微子發射出的微弱信號，從而了解來自宇宙最深處的秘密。

• “幽靈粒子”：攜帶宇宙奧秘的中微子

你可能并不熟悉中微子，畢竟它看不見，又很難摸得著，但就在此時此刻，數百億個中微子，正以接近光的速度穿過你、我和周圍的一切——你對此毫無察覺。中微子它不帶電、幾乎沒有質量，能輕松穿透地球，就像“幽靈穿墻”，所以也被叫作“幽靈粒子”。但它也是和引力波一樣，是極少數能從黑洞深處逃出來的“信號”，攜帶著關于宇宙起源、能量，甚至時間的秘密，是我們理解宇宙、追尋宇宙誕生及演化之謎的關鍵線索。

• 科學家希望通過更強“望遠鏡”捕捉更多中微子

目前廣泛采用的捕捉中微子的方式，是通過觀察其與其他粒子碰撞產生的效應來實現，當中微子撞到水體或冰層中的原子核或電子時候，就會激發出藍色閃光，被探測器捕捉到。

全世界的科學家花了幾十年，也只捕捉到了幾百個高能天體中微子，難以深入研究深層的規律。所以，現在中國科學家決定造一臺更強的望遠鏡，助力人類來去捕捉這些幽靈信號，以深入探索極端宇宙的奧秘。

上海交通大學李政道研究所長聘學者 “海鈴計劃”首席科學家 徐東蓮：中微子望遠鏡的探索，原始的想法是起源于1960年。世界上有美國主導的建在南極冰川里的冰立方，還有俄羅斯建在貝加爾湖里的望遠鏡，還有建在地中海里的KM3NeT望遠鏡。2010年南極冰立方建成，它很快運行兩年后就發現來自銀河系外的彌散中微子流，離地球非常遠，要去分辨這些中微子的源頭，就需要下一代的中微子望遠鏡。

• 中微子探測體積從1立方公里擴大至10立方公里

剛才提到的幾個全球大型中微子望遠鏡它們探測體量也都在1立方公里左右。不過，隨著探測精度要求越來越高，這點體量已經不夠用了，我們需要更大、更靈敏的“鏡頭”。而這正是“海鈴計劃”的目標，將中微子探測體積擴大到10立方公里。

深海光學探測球艙

在海底探測中微子

那么如此微弱的“幽靈粒子”中微子，要怎么來探測呢？這就要用到一些精密的探測設備，接下來，我們就和記者一起去實驗室看看，這些探測中微子的精密的“眼睛”怎樣才能在深海中探測中微子。

這個透明的球，就是“海鈴計劃”中的“鈴鐺”——深海光學探測球艙。它看起來像一個漂亮的大燈泡，其實是一個極其精密的光電倍增設備。

上海交通大學李政道研究所長聘學者 “海鈴計劃”首席科學家 徐東蓮：它主要是為了看單光子的，它后端有多級的放大，所以單光子打到它上面，經過后端千萬倍的放大，我們就可以讀出比較大的信號，實現單光子的探測。

• 未來將布設上千根潛標 兩萬多個探測球艙

這就是“海鈴計劃”未來建成后的樣子，像不像一整片漂浮在海底的“風鈴陣”？

再看這些星羅棋布的小點點，它們就是一個個深海光學探測球艙。這些探測球艙每20個為一組，整齊地懸掛在兩根長達700米的纜繩上。

纜繩一頭固定在海床上，另一頭由浮力塊向上牽引，這樣它就能在水里垂直豎起來，形成一根潛標。

整個“海鈴計劃”，要布下上千根這樣的潛標，也就是說，需要兩萬多個探測球艙。那它們是怎么“聽到”來自宇宙深處的信號呢？

上海交通大學李政道研究所博士生 黃驚濤：中微子之所以把它叫作“幽靈”，它有這樣的一個性質，就是物理學上把它叫作“不帶電且幾乎沒有質量”，通俗點就是說它與物質之間反應的概率非常低。

• 探測球艙捕捉中微子水中撞擊的切倫科夫光

中微子的物理特性決定了我們很難通過常規手段“捕捉”到它，除非偶爾，有極小的概率，它會和水中的原子核或電子撞一下。這一撞對能量極高的中微子來說不痛不癢，但被撞的那一方會得到中微子傳遞的一部分能量，打出一大串次級粒子，這些次級粒子沒有中微子的“隱身術”，它們的運動速度極快，甚至比光在同介質中的傳播速度還要快，于是，一種類似“光爆”的現象就會產生，這就是著名的切倫科夫光。

在水中，切倫科夫光是一種微弱的藍色閃光，而中微子探測器，就是要通過捕捉那一瞬間的藍光，去追蹤中微子穿越海水時留下的痕跡與方向。

上海交通大學李政道研究所博士生 黃驚濤：這個粒子走過去之后，空間中就留下一個很明顯的軌跡，這就是接受的光的軌跡。那么從這個方向我就做一個反向延長，我就知道它是從哪個天體哪個天空中哪個區域來的，我就可以做到一個望遠鏡的功能。

蜘蛛系統海試成功

精準完成探測潛標布放

據介紹，“海鈴計劃”中每一根長700米的探測潛標就要串起20個探測球艙。整個項目計劃放置1000個左右探測潛標，這個巨大工程需要一個安全高效的布放裝置。研究團隊從蜘蛛吐絲的連續性與可控性中獲得靈感，研發出了蜘蛛系統，在前不久剛剛完成的海試中，正是這個蜘蛛系統完成了對潛標的精準布放。我們繼續去實驗現場看一看。

在上海交通大學船模拖曳水池，剛剛成功進行完海試的蜘蛛系統，靜靜的停在這里。

這個像線軸一樣的裝置，就是“蜘蛛系統”。它纏著的，就是一根掛滿探測球艙的潛標。它要解決的難題是在深達3500米的南海海底，布下上千根這樣的潛標。每一根都長達七百多米，間隔大約一百米，既要排列得像“海底森林”一樣密集、整齊，又不能彼此纏繞、干擾，完成“海鈴計劃”的部署是一個龐大而精密的工程。而眼下，團隊要做的，就是先讓第一根潛標，順利扎根在海底。

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院教授 “海鈴計劃”副總工程師 田新亮：我們也是受到了這種線軸或者水車、磁帶的啟發。一個磁帶的盤子上，可能可以放上百米的磁帶的帶子，是一個容納性非常強的機構，而且像圓軸，它可以非常穩定地工作。

這個布放裝置，它現在看起來是一個整體，但實際上，它是由上下兩部分組成的。下面這一塊是潛標的底座，上面這一大圈“卷軸”則是負責布放的運載裝置。在下海前，這兩部分通過一根能承受十噸拉力的特制纜繩綁在一起。等沉到海底后，水下機械臂解開這根繩子，“蜘蛛系統”便會瞬間一分為二，底座拽著潛標的一端穩穩留在海床上，而上面的卷軸部分則會被頂上的浮力塊拉起來，不斷上升。浮力和繩索張力的共同作用下，探測球就會順著主纜一顆一顆被送出去，直到700米長的潛標完全展開。

而當布放完成，卷軸會自動上浮回到海面，就像是一個深海版的“火箭發射”，衛星留在軌道，火箭自己返航，在效率和成本之間達成了平衡。研究團隊經歷8次重大的設計迭代和無數次不成功的嘗試，最終實現了探測潛標的成功布放，讓“海鈴計劃”從設計圖紙上的構想，走向了可在深海落地實施的現實工程。

上海交通大學李政道研究所長聘學者 “海鈴計劃”首席科學家 徐東蓮：2018年啟動了項目的研發，2021年進行了選址，預期是2026年建成10根的陣列，完成整個在我國海域建設深海中微子望遠鏡的一個全面的技術驗證。

多項自主首創

打造中微子探測重器

一項科學工程，從概念到原理到試驗和最終完成，往往要跨越十年以上，海鈴團隊在研發過程中，攻克了多項難題，并且創下了多個首創。探索中微子望遠鏡的過程，也積累了多項創新技術。

除了“蜘蛛”布放系統，“海鈴”在探測球艙上也做了不少國際首次的嘗試。比如，它第一次把傳統光電倍增管和硅基光電探測器結合在一起，讓探測信號的反應速度更快、方向判斷更準；還采用了類似昆蟲復眼一樣的設計，幾乎整個球面都能感光，更適合在復雜多變的海水環境中，全方位捕捉微弱的信號。同時，團隊還首創了實時光學標定系統，能根據海水透明度和洋流變化自動校準，讓整個望遠鏡始終保持“清晰對焦”。這些創新，既解決了深海環境下探測不穩、信號易失真的難題，也讓“海鈴”成為國際中微子研究領域最受關注的項目之一。

上海交通大學李政道研究所長聘學者 “海鈴計劃”首席科學家 徐東蓮：因為地處赤道，處在一個熱帶的地球低緯度的臺址，所以隨著地球的自轉，望遠鏡探測的靈敏天區是掃過全天的，所以跟南極的冰立方會形成良好的互補關系，等我們建設更大體量上能跟冰立方去比擬的時候，我們會進入科學上良好的競爭關系，可以去角逐下一輪的中微子天文學的重大突破。

現在，“海鈴計劃”正在穩步推進。科學家們計劃明年初投入建設后，在未來幾年完成關鍵技術驗證，隨后展開更大規模的布放。可以說，它正一步步從藍圖，走向真實的深海。從而更好地了解來自宇宙深處中微子帶來的秘密。

來源|央視新聞、觀察者網

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