深海中微子望遠鏡的科學機遇與中國布局——依托“海鈴計劃”邁向高能中微子天文學的精確時代

原文發表于《科技導報》2026 年第3 期 《深海中微子望遠鏡的科學機遇與中國布局——依托“海鈴計劃”邁向高能中微子天文學的精確時代》

高能中微子與物質相互作用極弱，且在星際傳播過程中不受磁場偏轉，是研究宇宙極端物理過程、揭秘宇宙線起源、驅動多信使觀天的重要信使?！犊萍紝蟆费埳虾＝煌ù髮W李政道研究所長聘學者、副教授徐東蓮及景益鵬院士團隊撰寫文章，論述了以 IceCube 為代表的第一代中微子望遠鏡已首次探測到天體起源的高能中微子，獲得了來自活動星系核和銀盤的彌散中微子輻射的強力證據；指出了受限于當代望遠鏡的體量、角分辨率以及中微子味識別能力，絕大多數高能中微子來源仍然未知。當下，國際上正加速推進下一代中微子望遠鏡的建設，中國科學家提出在南海建設性能大幅提升的二代中微子望遠鏡——海鈴計劃，以實現天體中微子源的快速定位及中微子味比的精確測量，確切解答宇宙射線起源之謎、深入研究其加速機制，并在天文尺度基線上研究中微子振蕩性質與潛在新物理規律。海鈴望遠鏡創新采用彭羅斯密鋪的非等距陣列布局及混合型光電探測球艙（hDOM），在兼顧大體積覆蓋的同時顯著提升角分辨率、能量測量精度與中微子味道識別能力；建成后有望在 1 年內以高置信度確認迄今 IceCube 最顯著的點源 NGC1068，并快速實現中微子天體源的批量發現。海鈴團隊已完成南海選址驗證、核心技術研發及深海施工策略開發，具備項目規?；七M的條件。建議在“十五五”期間啟動南海中微子望遠鏡的建設，搶占中微子天文學重大突破先機。

中微子是構成物質世界最基本的粒子之一，其概念最早由泡利（Wolfgang Ernst Pauli）于1930年提出，并在1956年的核反應堆實驗中首次被實驗證實。此后，中微子物理的發展多次推動基礎物理的重大突破，并屢次獲得諾貝爾物理學獎。早期人類探測到的中微子主要集中在MeV?GeV及以下能區，包括反應堆中微子的發現（1995年諾貝爾物理學獎）、繆子中微子的發現（1988年諾貝爾物理學獎）、大麥哲倫云內超新星1987A爆發中微子的探測（2002年諾貝爾物理學獎），以及太陽與大氣中微子振蕩現象的發現（2015年諾貝爾物理學獎）。這些成果為中微子存在質量及其振蕩機制等基本性質提供了關鍵證據。

然而，真正來自宇宙高能加速器的TeV?PeV高能天體中微子，直到位于南極極點的冰立方中微子望遠鏡（IceCube）于2010年建成之后才得以觀測。2013年，IceCube首次探測到來自地外的高能彌散中微子，標志著中微子天文學的新紀元。自此，人類在依賴傳統電磁波觀測宇宙的方式之外，進一步拓展引入了高能天體中微子這一獨特信使，其與物質作用極其微弱，且在星際傳播不受磁場偏轉，為研究極端宇宙規律提供了全新的窗口。隨后，2015年激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational?Wave Observatory，LIGO）首次直接探測到由雙黑洞并合產生的引力波信號，中微子與引力波共同加入了宇宙信使的行列，與光子和宇宙射線共同構成了多信使天文學的觀測體系，使人類獲得前所未有的觀天能力，得以重建宇宙中最極端物理過程的“全息”圖景。

1 國際中微子天文學現狀與重大科學機遇

1.1 IceCube成果

過去10余年里，IceCube在探尋高能中微子天體源方面取得了一系列里程碑式成果。除了持續精確測量來自地外的彌散高能中微子流，IceCube在最近幾年又確認了來自銀盤的彌散中微子流。

2017年，通過多信使協同觀測，IceCube找到了首個中微子源的證據——耀變體TXS0506+056（3.0σ）。IceCube探測到一個來自該源方向的高能中微子事件IC170922A（能量約290 TeV），當時該源正處于伽馬輻射增強階段。隨后對歷史數據的回溯分析發現，該源在2014—2015年曾發生1次未伴隨伽馬輻射的中微子爆發（3.5σ），進一步揭示其輻射機制的復雜性。

2022年，IceCube找到第2個中微子源的強力證據——塞佛特星系NGC1068（4.2σ）。該源主要產生能量在1.5~15 TeV的中微子，且未觀測到對應的TeV伽馬射線，暗示高能伽馬輻射在致密環境中被強烈吸收。最近的理論研究指出，其輻射區可能位于黑洞附近約幾至數十個施瓦西半徑以內，對傳統噴流加速模型提出了直接挑戰。

迄今為止，高能中微子信號最為顯著的2個天體源均表現出明顯的伽馬射線強吸收特征。這一事實表明，從觀測者的角度來看，中微子與伽馬射線信使在同一源中往往難以兼得。其根本原因在于，中微子的產生通常要求源區存在充足的靶物質，以驅動高能宇宙射線發生強子相互作用；而這些致密的靶物質環境會對伴生的高能伽馬射線產生強烈吸收，使其難以逃逸源區，而中微子由于與物質相互作用極弱，能夠直接從致密環境中逃逸出來。

因此，依賴伽馬射線觀測來驅動高能中微子天體源的尋找，將不可避免地遺漏一批最具物理價值的宇宙加速器，這表明了中微子信使的獨特作用以及發展下一代中微子望遠鏡的必要性。

在基礎物理方面，高能中微子同樣展現出獨特價值。2021年，IceCube公布了一個能量約6.05±0.72PeV的簇射事件，其特征與理論預言的格拉肖共振相符，這不僅表明天體中微子流量中存在電子反中微子成分，同時也為在PeV能區進一步檢驗粒子物理標準模型提供了新的實驗依據和窗口。

此外，隨著對南極冰川中波形讀出的精細分析逐步成熟，IceCube已進入可識別陶中微子的階段，為未來利用“味比”探測新物理奠定了重要基礎。然而，由于南極冰層中存在明顯的塵埃結構，其光學性質在空間上具有明顯的不均勻性，對切倫科夫光的散射和吸收過程產生重要影響，從而影響事件波形重建并增加陶中微子鑒別中的系統不確定性。相比之下，深海水體在光學性質上的均勻性更高、光散射效應更弱，這使得基于深海環境的中微子望遠鏡在角分辨率以及陶中微子鑒別和味比測量等關鍵能力上具備顯著優勢。

1.2 潛在高能天體中微子源分析

盡管已取得重要突破，現有觀測同時揭示出宇宙高能中微子分布的復雜性。根據IceCube的測量，銀盤貢獻的中微子不足其觀測到的總彌散流量的10%。理論研究進一步指出，銀河系更像一個“中微子沙漠”：銀河系的中微子亮度比遙遠星系的平均亮度暗10~100倍（低1~2個數量級）。這意味著在過去的幾百萬年里，銀河系沒有出現過產生大量高能中微子的源。

在目前已探測到的河外候選天體源中，至少存在2種性質迥異的源（圖1）：如NGC1068這類離地球較近（~14.4 Mpc），其產生的中微子能譜較軟（E?3.2）的源，能量主要集中在1.5~15 TeV；以及TXS 0506+056這類離地球很遙遠（z=0.3365，~1774 Mpc），能譜較硬（E?2）的源，主要產生約40~400 TeV的高能中微子。對于這2類源，理論研究表明其輻射區域可能位于黑洞附近幾至數十個施瓦西半徑以內；但也有研究提出，TXS 0506+056的中微子及多波段輻射可能起源于其相對論噴流內。

圖1 點源 NGC1068（藍色）與 TXS 0506+056（橙色）流強對比

這些結果暗示宇宙中可能存在多種截然不同的粒子加速機制，其背后涉及的吸積流結構、磁重聯、極端等離子體過程仍是當前天體物理研究的前沿熱點。高能中微子的觀測將為揭示黑洞附近等離子體耗散、粒子加速的物理過程、暗物質與宇宙射線作用等新物理規律提供全新視角和關鍵線索。

目前，除了最顯著的中微子點源候選體——活動星系核（NGC1068和TXS 0506+056這2個點源貢獻約1%的IceCube中微子彌散流量），以及銀盤彌散中微子（貢獻約10%）之外，IceCube所觀測到的大部分高能彌散中微子流的起源仍然未知?，F有研究普遍認為，IceCube探測到的大部分高能中微子應來自遙遠的天體弱源，如星爆星系（starburst galaxies）。而要分辨這些天體弱源，中微子望遠鏡需要達到0.1度的角度分辨率，及更高的探測靈敏度（圖2）。

圖2 不同類型高能中微子天體源在源數密度與單源中微子光度空間中的分布示意，并與 IceCube及下一代中微子望遠鏡的探測能力進行對比

除穩恒源以外，宇宙中劇烈的高能活動還可能產生具有瞬態性質的中微子源，如潮汐瓦解事件、活動星系核耀發（包括耀變體耀發）等。這類暫現事件通常伴隨瞬時增強的電磁輻射，并可能同步產生中微子，因此，需要聯合中微子與其他宇宙信使開展協同觀測。然而，目前IceCube空間上的定位誤差較大，使得精確識別暫現中微子源仍具有挑戰性。未來建設具有更高角分辨率和更大體量的中微子望遠鏡，將顯著提升對暫現源的實時探測能力，并推動多信使天文學的進一步發展。

1.3 重大科學機遇

中微子天文學正站在新的歷史起點上，面臨前所未有的科學機遇。通過探測器的巧妙設計與望遠鏡整體的精密布局，有望在2個前沿方向產生重大突破。

• 首先，需要確認一批高能中微子天體源，以確切解答高能宇宙線起源之謎，并深入研究這些宇宙加速器中粒子的加速機制。

• 其次，需要通過精確的中微子味比測量，在天文尺度基線上檢驗中微子振蕩性質并尋找超越粒子物理標準模型的新物理規律，例如中微子與暗物質的相互作用、中微子衰變、量子引力效應或洛倫茲不變性破缺等現象。任何偏離理論預期的味比結果都可能意味著新的物理機制的存在，而實現這一目標依賴于未來對3種味道（電子、繆子及陶）中微子的高精度測量。

然而，這一科學機遇具有明確且有限的時間窗口，其緊迫性集中體現在未來5~10年。美國2020年發布的最新天文與天體物理10年規劃（US Decadal Survey）將多信使天文學，尤其是以高能中微子和引力波為代表的新信使與新物理規律尋找，列為未來10年的核心發展方向之一，并明確支持建設下一代中微子望遠鏡IceCube?Gen2，預計在2035年前后建成。

中國科學家自2018年開始在南海探索建設下一代中微子望遠鏡——“海鈴計劃”，迄今已在臺址海域驗證、核心探測器研制、中微子與本底信號模擬等方面取得扎實進展，并已實現了望遠鏡深海精密布放與組網等工程技術的攻堅，全面具備了啟動建設的條件。若中國在“十五五”期間啟動深海中微子望遠鏡的建設，將有望搶占中微子天文學重大突破的先機，填補中國實測中微子天文學的空白，實現從起跑到跟跑，甚至領跑的跨越。

1.4 下一代中微子望遠鏡

為了角逐這些重大科學機遇，歐美主要發達國家正密鑼緊鼓推進下一代中微子望遠鏡的建設，包括IceCube?Gen2、KM3NeT、Baikal?GVD、P?ONE等。中國也在推動建設下一代中微子望遠鏡，包括海鈴望遠鏡（TRopIcal DEep?sea Neutrino Telescope，TRIDENT，以下簡稱“海鈴”），以及高能水下中微子望遠鏡（High?energy Underwater Neutrino Telescope，HUNT）、南海中微子天文臺（NEutrino Observatory in the Nanhai，NEON）等。

未來的探測器需要在更大探測體積與更低能閾之間取得平衡，使其既能夠探測超過百TeV的高能中微子，又能對NGC1068這類TeV級源保持高靈敏度。同時，更高的方向與能量分辨率、改進的波形讀出技術以及對水/冰介質差異的深入理解，將有助于實現天體陶中微子的高精度鑒別，推動中微子天文學邁入“精確時代”。這些努力將最終幫助人類識別一批宇宙深處的高能加速器、揭示黑洞附近的極端物理過程，并借助中微子這一獨特信使探索可能超越標準模型的新物理圖景。

依托更優的角分辨率和更高的靈敏度，海鈴將與中國現有及在建的多波段、多信使觀測設施形成協同體系，包括500米口徑球面射電望遠鏡（Five?hundred?meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）、光學望遠鏡（如運行中的麗江望遠鏡、未來的地面交通大學光譜望遠鏡（Jiao?tong University Spectroscopic Telescope，JUST）與地面寬視場光譜巡天望遠鏡（MUltiplexed Survey Telescope，MUST）、光譜望遠鏡及中國空間站巡天空間望遠鏡（China Space Station Telescope，CSST）等），X射線衛星如在軌運行的硬X射線調制望遠鏡（Hard X?ray Modulation Telescope，HXMT）、愛因斯坦探針（Einstein Probe，EP）及未來的增強型X射線時變與偏振空間天文臺（enhanced X?ray Timing and Polarimetry mission，eXTP），高海拔宇宙線觀測站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO），未來空間站上的高能宇宙輻射探測設施（High Energy cosmic?Radiation Detection，HERD），以及MeV能段的江門中微子觀測站（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，JUNO）和EeV能段的大型中微子探測陣列（Giant Radio Array for Neutrino Detection，GRAND）。

海鈴憑借其低緯臺址和高角分辨率優勢，可在全天區范圍內提供高置信度的中微子預警與源定位信息，支持多波段望遠鏡開展快速跟蹤觀測，從而在時間域與能譜域上聯合刻畫極端宇宙中粒子加速與能量釋放過程，構建中國完備、自主的多信使觀測網絡。在國際層面，海鈴將作為低緯深海中微子望遠鏡，與現有北半球和高緯裝置共同構成覆蓋全天區的全球多信使觀測體系。其近赤道臺址能夠有效填補現有中微子望遠鏡在南天區的靈敏度與視場空缺，在瞬變源快速定位、跨波段聯合觸發以及長時標巡天統計研究中發揮關鍵作用。

2 海鈴中微子望遠鏡

2.1 南海選址

中微子望遠鏡的探測機制基于捕捉中微子與介質相互作用產生的切倫科夫輻射光信號，這一物理特性決定了臺址環境的優劣，直接制約著裝置的探測效能。構建深海中微子望遠鏡，首要前提在于通過大深度的水體屏蔽宇宙線繆子本底，同時保障介質具有極佳的光學透明度，以確保微弱的光信號在長距離傳輸中保持足夠的強度與方向信息，進而確?？墒占匠渥愕墓庾?，并實現對中微子能量與方向的精準重建。此外，海水中的放射性同位素和生物發光是深海中微子望遠鏡的主要噪聲來源之一，因此選擇深海環境的穩定性與低本底特性同樣關鍵，需要盡量避開生物活躍區域并對深海中放射性本底進行精確測量和評估，以免環境噪聲湮滅有效信號。

為對南海選址進行定量評估，2021年9月，海鈴團隊在南海北部海域成功實施了深海原位勘測任務（圖3），在水深3420 m處開展了針對海水光學性質、流場性質及放射性本底的系統性測量。結果顯示，該海域深層海水的平均吸收長度約為27 m，散射長度約為63 m，其光學屬性與國際同類裝置的選址標準相當，具備實現優于0.1°角分辨率的物理條件。同時，實測數據證實，在3000 m深度以下，海流流速保持在10 cm/s以下的低流速狀態，且未監測到顯著的生物發光活動。這些實測數據，為在中國低緯度深海建設大型中微子望遠鏡提供了確鑿的依據，驗證了海鈴臺址（海鈴盆地）的可行性。

圖3 海鈴望遠鏡臺址海鈴盆地

2.2 探測器設計

海鈴探測器的總體設計主要由2個核心物理目標所驅動：一是迅速定位高能天體中微子源，二是精確測量到達地球的中微子味道比例。為迅速準確定位天體源，探測器需在繆子中微子產生的徑跡型事件（tracks）中具備極高的角分辨率；而為實現中微子味比的精確測量，則須對電子中微子產生的局域簇射（cascades）事件保持高探測靈敏度，并且能夠可靠識別陶中微子所特有的雙簇射（double cascades）特征。由于不同類型中微子事件產生的光信號分布范圍差別很大（如圖4所示，繆子中微子產生光信號分布可達千米級，電子中微子10 m級，而陶中微子幾十到千米級），它們對潛標陣列間距布局提出了截然不同的要求，因此，海鈴的陣列布局采用彭羅斯密鋪的非等距串列布局，如圖5所示。

圖4 深水中微子望遠鏡中 3 種中微子事件示意

圖5 海鈴探測器陣列俯視圖（a）與正視圖（b）示意

該布局具有2方面關鍵優勢：一方面，非均勻的串列間距可兼顧不同能量閾值需求，實現探測器在TeV至EeV超寬能區內的有效觀測；另一方面，由于陣列不具平移或旋轉對稱性，可更高效抑制直線穿行的大氣繆子噪聲。模擬結果表明，該布局既滿足高能徑跡事件的大尺度重建需求，又提升局域簇射事件的能量測量精度，使探測器在有效探測面積、角分辨率等關鍵性能上保持均衡表現，從而覆蓋超寬能段物理目標。

除陣列整體布局外，單個探測球艙的性能同樣決定著海鈴在方向重建、能量測量與中微子味識別方面的能力。相較于IceCube與Baikal?GVD所采用的“單個光電探測器件”方案，海鈴團隊原創提出并成功研制了新一代混合型光電球艙（hybrid digital optical module，hDOM），該方案在第31屆國際中微子物理與天體物理大會（Neutrino 2024）的探測器大會特邀報告中，被作為中微子探測新型光學傳感器（novel concepts of light sensors and light detection techniques for neutrino physics）方案之一高亮介紹。海鈴hDOM在多支小型光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）的基礎上，進一步整合了具備百皮秒級時間響應的硅基光電倍增器，從而能夠充分發揮海水介質散射低的優勢，顯著提升對切倫科夫光到達時間的測量精度。球艙表面布置有數十個獨立光電探測單元，形成類似“復眼”的分布式收光結構，可從多個方向同時記錄光信號，為中微子事件重建提供更充分的信息支撐。

• 首先，hDOM具備優良的時間測量精度和方向分辨能力，能夠更準確地還原切倫科夫光的到達時間和傳播方向，從而提高徑跡型事件的指向精度，并改善簇射型事件的能量重建效果。

• 其次，hDOM多通道分布式探測避免了強信號集中在單一探測單元上，使球艙在極高能量事件中不易飽和，能夠穩定記錄從TeV到EeV能區的能量沉積。

• 另外，依托多通道結構，hDOM能在單球艙尺度上識別多個探測單元的同時響應，有效抑制深海天然放射性（如鉀40衰變）等引起的隨機噪聲，在不降低觸發效率的前提下，顯著降低探測能閾。

基于上述設計，海鈴將在徑跡型事件中獲得相較現有探測器顯著改進的角分辨率，從而有效提升對點源的探測靈敏度。模擬結果表明，海鈴建成并投入運行后，有望在1年內以5σ置信度發現NGC1068，并快速實現中微子天體源的批量發現，推動高能中微子天文學研究進入精確時代。在確認天體中微子源后，結合中微子觀測得到的能譜斜率與能量覆蓋范圍及多波段電磁輻射等開展多信使聯合分析，海鈴不僅有望在強子加速模型與輕子輻射模型之間實現物理排除或優選，還可對中微子輻射區的空間尺度給出更嚴格的約束，并為區分激波加速（一階費米機制）、隨機加速（二階費米機制）以及相對論性磁重聯等不同粒子加速路徑提供關鍵觀測依據。

在中微子味比精確測量方面，陶中微子的識別是長期存在的技術難點，hDOM的全波形讀出能力為該探測提供了關鍵技術支撐。高能陶中微子在探測介質中發生相互作用并產生次級陶輕子，由于陶輕子壽命極短，其在傳播極短距離后即發生衰變，從而在探測器中形成2個在時間上緊密相鄰、具有明確先后順序的光信號脈沖（雙脈沖），如圖6所示。全波形讀出能夠清晰識別這一特征信號，并利用多通道獲取的時間與空間信息，有效區分真實物理事件與噪聲，從而降低陶中微子的探測能閾，提高識別效率，最終提升中微子味道比例測量的靈敏度。精度顯著提升的味比測量不僅可用于區分源區內中微子的不同產生機制，還可作為跨越天文尺度檢驗中微子振蕩規律的關鍵探針。若觀測結果與標準預期有系統性偏差，將昭示新的中微子相互作用規律。

圖6 高能陶中微子在望遠鏡中反應（a）產生的雙脈沖波形信號（b）

此外，hDOM可利用在單個球艙上多PMT擊中時間成協的局域符合判據，實現對MeV級超新星中微子信號的甄別：反電子中微子在海水中發生逆貝塔衰變（inverse beta decay，IBD），釋放正電子與中子，利用天然氯核對中子的高效俘獲能力，海鈴首次創新地在海水中應用IBD的瞬時信號與中子氯核俘獲延遲信號的成協性，高效抑制了海水放射性本底的干擾，比同類深海望遠鏡超新星預警距離提升了近3倍（圖7）?；谏鲜鰧eV中微子信號的高效甄別與本底抑制能力，海鈴預計可獲得數十千噸量級的有效探測體量，從而對銀河系內超新星中微子信號隨時間的演化進行精確測量，并結合電磁波段與引力波觀測數據，深入研究超新星爆發機制。同時，這類高統計、高時間分辨的觀測也有望為中微子質量序等基本物理問題提供新的觀測約束。

圖7 hDOM 對超新星 MeV 中微子探測原理示意（a）及海鈴對超新星的探測靈敏度（b）

在成功研制3英寸PMT的hDOM（圖8（a））后，海鈴團隊開展了面向部署大規模陣列降低成本與功耗的系統研究。模擬結果表明，通過采用4英寸PMT以減少通道數，并將硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）探測單元優化部署于球艙下半球（圖8（b）），可在不削弱海鈴核心科學目標的前提下，使單個hDOM的總體造價和功耗降低約40%。這一優化方案在保持探測器關鍵物理性能的同時，顯著提升了大規模陣列建設的經濟性與可擴展性。

圖8 海鈴 3 英寸 hDOM 實物（a）及優化后的4 英寸 hDOM 設計圖（b）

總體而言，海鈴團隊原創提出的hDOM混合型光電探測球艙方案在深海放射性噪聲抑制、時間與角度分辨率、能量重建、動態范圍與味道識別等方面均全面優于上一代光學球艙，為海鈴實現“快速定位天體中微子源”與“精確味道測量”的2個核心科學目標奠定了關鍵技術基礎。

2.3 深海工程技術實現

要將如此密集的大型柔性潛標陣列精準部署在深海環境中，對深海施工、光電傳輸以及海底精密組網提出了一系列工程挑戰。傳統深水潛標常采用“自上而下自由下沉”，即“拋放式”的布放方式。而這種方式中略微的海水洋流擾動就會使最終落點水平偏移幾十米量級，這對于線距僅百米、單根串列安裝誤差需控制在米級的中微子望遠鏡來說，難以滿足需求。更重要的是，望遠鏡串列是包含若干hDOM、光電復合纜和承力纜的復雜柔性結構，傳統方式難以在下沉過程中避免光學球艙之間的碰撞及線纜之間的纏繞，而部署過程中任何結構性損傷都有可能直接轉化為探測單元的永久失效。

圍繞上述工程瓶頸，2020年以來，海鈴團隊在如何進行深海精準布放方面進行了大量設計和設備迭代工作。經過多年研發，海鈴團隊提出并實現了以“蜘蛛”系統（SPIDER?subsea precision instrument deployer with elastic releasing，深海精密儀器柔性布放裝置，圖9）為核心的整體布放技術路徑?！爸┲搿毕到y利用可擴展的卷筒結構，以“水車式”集成方式對光學球艙和線纜進行集裝，使得在具體施工時可以將整個卷筒結構先放置于海床預定位置后，再對串列進行釋放展開，以實現望遠鏡串列在深海精準布放的目的。

圖9 海鈴“蜘蛛”系統設計方案迭代過程

2025年8月，海鈴團隊成功在南海完成了“蜘蛛”多次全流程海試（圖10）。海試結果表明，搭載20只hDOM模型的全尺寸“蜘蛛”樣機在近底懸停、釋放、上浮展開及整纜張力控制等關鍵環節均運行穩定，實測上浮速度與模型預測一致，球艙姿態保持良好，動態加速度處于精密儀器安全范圍內，首次驗證了該系統能夠在真實深海環境下實現高幾何精度、低風險的整體布放。這一技術的突破，成功解決了超長柔性潛標在深海復雜水動力環境下的姿態控制難題，確保了中微子望遠鏡串列在布放、展開過程中的安全與精準，也為深海中微子望遠鏡從設計藍圖走向現實奠定了堅實的工程基礎。

圖10 海鈴“蜘蛛”系統海試

“蜘蛛”成功研制確保了海鈴在望遠鏡深海組網方面得以采用以海底接駁盒為核心的分布式組網方案。方案計劃每根垂直探測串列在完成精準布放并穩定展開后，在水下機器人的牽引下通過水下濕插拔與指定接駁盒實現連接，并由水下接駁盒完成供電分配、信號匯聚與鏈路管理，再通過主干海底電纜接入整體水下供電與通信網絡，并最終與岸基站點相連。這種分層式組網結構，有效避免了長距離點對點直連所帶來的布線復雜性和施工風險，使陣列在百米量級的間距下仍能保持清晰、可控的網絡結構（圖11）。

圖11 海鈴水下潛標串列組網示意

3 國際同類項目對比

海鈴的建設采用分階段實施、邊運行邊擴展的發展路徑。在早期階段即具備完整的探測與運行能力，并同步開展科學觀測與關鍵技術驗證。這一發展模式符合國際大型中微子望遠鏡的普遍建設經驗，即通過分期實施，在持續產出科學成果的同時逐步提升探測規模與整體性能。如圖12所示，全球同類中微子望遠鏡聚焦于TeV–PeV能區，以天體中微子源的系統搜尋與批量發現為核心目標，旨在確切解答宇宙射線起源等重大科學問題。

圖12 全球中微子望遠鏡建設時間線

在上海交通大學支持下，海鈴一期項目已于2022年12月啟動，旨在完成核心技術研發攻堅。迄今，已逐步開展并突破hDOM、望遠鏡串列集成、多節點時鐘同步、多節點聲學定位、數據采集系統、柔性串列布放載具及深海組網策略等關鍵技術，具備全面工程化推進條件。當下，團隊正在推進海鈴二期項目，擬于“十五五”期間在海鈴盆地部署百根望遠鏡串列，監控水體約1 km3，探測靈敏度達到國際先進水平。

科學上以發現天體中微子源、確切解答宇宙射線起源為目標（對南天點源靈敏度較IceCube提升3個數量級以上，有望率先發現南天中微子源）；同時，二期將顯著提升對3種味道中微子的探測效率，在宇宙尺度上精確檢驗中微子振蕩性質并尋找超越粒子物理標準模型的新物理信號；利用大氣中微子測量地球內部結構；開展核塌縮超新星監測。二期還將與全球多個望遠鏡形成協同網絡，開展多信使聯合觀測，深入探索極端宇宙。

在工程與技術方面，二期將完成海底密集陣列精準布放與組網的關鍵技術攻堅，掌握深海遠程大功率供電與大帶寬通信等核心技術，形成在中國海域建設和長期運行立方千米級深海中微子望遠鏡的完整工程技術體系，完成在中國海域建設、運行深海中微子望遠鏡的全鏈條技術驗證。

未來的海鈴三期將布局千根串列，覆蓋水體約10 km3，探測靈敏度達國際領先水平，在角度與能量分辨率、中微子探測效率等方面實現數量級提升，在全天區點源搜尋和中微子味道分辨能力上形成國際引領優勢，持續產出重大原創科學成果。在推進建設海鈴中微子望遠鏡過程中，同步發起國際大科學計劃，顯著提升中國在中微子多信使天文學領域的國際影響力。

3.1 臺址對比

中微子望遠鏡通過探測中微子相互作用產生的切倫科夫光重建事例能量與方向，對探測介質的體積和光學性質有嚴格要求。在自然環境中，能夠支撐立方千米級中微子望遠鏡的介質主要限于2類：極地深冰和深水水體。目前已建成或主要規劃中的大型中微子望遠鏡在全球的空間分布如圖13所示，不同臺址方案的環境條件與觀測特性對比如表1所示。

圖13 全球中微子望遠鏡布局

表1 全球中微子望遠鏡選址比較

在深冰方案中，IceCube在南極冰蓋1450~2450 m深度范圍內部署了86根探測串列、共5160個光學球艙，是目前世界上體量最大的中微子望遠鏡。南極深冰在可見光波段具有較長的吸收長度，但散射長度較短，且隨深度變化顯著；冰體內部的層狀結構和各向異性進一步增加了光子傳播的不確定性，對角分辨率的持續提升形成制約。此外，受地理位置限制，IceCube對南天區的觀測需在強宇宙線繆子本底下進行，其靈敏度相較北天區降低約2~3個數量級。

深水方案包括深湖和深海2類臺址。深湖環境中，貝加爾湖是目前唯一具備建設大體積中微子望遠鏡條件的淡水湖泊，其最大水深約1642 m，Baikal?GVD的探測單元布設在700~1300 m深度。然而，深湖水體中由季節性生物活動引起的自發發光噪聲可達100kHz量級，對低能信號探測構成顯著限制。相比之下，深海雖然有放射性同位素K40成為主要本底，但其在可利用水深和空間可拓展性方面更具優勢。KM3NeT?ARCA正在地中海約3500 m深度部署，P?ONE計劃在北太平洋Cascadia盆地約2660 m深度建設立方千米級陣列。

海鈴盆地不僅滿足大體積、介質透明等基本環境要求，還由于其近赤道的獨特地理特征，使得海鈴望遠鏡能夠實現全靈敏度巡天，有效覆蓋IceCube在南天區的觀測弱區，并與北半球中高緯望遠鏡形成互補，在全球中微子觀測網絡布局中具有不可替代的視場價值。

3.2 探測器對比

盡管在工程實現和建設成本上相較上一代單PMT方案更為復雜，近年來國際上新一代中微子望遠鏡在基本核心探測球艙的設計上，仍普遍由單一大PMT轉向多PMT結構。這一技術路線的轉變源于對探測器性能持續提升的需求。相較于單一探測器件，多PMT球艙能夠從多個方向同時記錄光信號，在時間精度、方向判斷和信號可靠性等方面具有明顯優勢。

在陣列規模的設計方面，單純追求幾何體量的擴大存在明顯局限。在探測球艙數量固定的前提下，僅通過拉大串列間距來“做大體積”，并不能等比例提升探測器的有效探測能力。模擬研究表明，過于稀疏的陣列布局會削弱對中、低能中微子的探測效率，并顯著抬高探測能閾，同時也會因采樣信息不足而降低高能事件的重建精度。

為緩解上述問題，Baikal?GVD、P?ONE等項目采用了在局部區域內提高探測球艙密度，在整體尺度上保持較大間距的簇狀布局。該方案在工程實施上具有一定的便利性，其模塊化布局有利于深海環境中分步建設與維護。然而，模擬結果顯示，簇間大尺度空隙會導致部分中微子事件無法被有效觸發，不連續的空間采樣也會顯著削弱對高能事件的重建能力和精度。同時，分散的簇結構增加了陣列邊緣區域的占比，使得發生在簇邊界附近的事件更易受到采樣不完整的影響，從而降低重建質量，大幅削弱徑跡型與簇射型事件的區分能力。

總體來看，盡管簇狀布局在幾何上覆蓋更大空間，其綜合探測能力反而大打折扣。相比之下，更均勻的陣列布局在空間采樣連續性和整體重建穩定性方面表現更為穩健，更有利于在寬能區范圍內同時實現高精度定位、能量測量和中微子味識別等多樣化物理目標。

4 開放共享

4.1 國內用戶

作為一項面向前沿基礎科學問題的大型、長期穩定運行的深海精密觀測設施，海鈴中微子望遠鏡陣列除核心光電探測器件外，還集成高精度聲學定位、溫鹽深、流速流向、姿態與張力監測以及環境噪聲與背景光監測等多類傳感器，用于實時標定與保障動態望遠鏡綜合性能相關的物理參數，并同步獲取深海環境與工程運行的長期連續觀測數據。

依托上述多傳感器協同觀測數據，海鈴在支撐高能中微子天文學和粒子物理研究的同時，也面向海洋科學、地球物理、地球化學及信息科學等相關學科開放，提供覆蓋光學、聲學與環境參數的高精度、長時標深海原位觀測數據，為深海環境長期連續監測、地震與聲場結構、生物發光特性及相關工程過程研究，以及“透明海洋”和“智慧海洋”體系建設提供關鍵數據支撐。

4.2 國際合作

在開放運行與國際合作方面，海鈴在建設與運行階段同步建立規范化的數據管理與共享體系，逐步向國內外科研團隊提供標準化觀測數據與分析接口，支撐圍繞宇宙線起源、瞬態中微子源及暗物質相關信號的聯合觀測與協同分析。

在國際層面，海鈴作為低緯深海中微子望遠鏡，融入以IceCube、KM3NeT、Baikal?GVD和P?ONE等為代表的全球中微子觀測網絡，通過觀測策略協調、事件觸發共享和聯合統計分析，構建覆蓋全天區的多信使觀測體系，為宇宙線起源研究、新型輻射/產能機制判別以及極端宇宙深層規律探索提供全球尺度的數據支撐。

5 經濟與社會效益

深海中微子望遠鏡作為面向基礎前沿的重大科學裝置，其建設與運行不僅服務于中微子天文學和基礎物理研究本身，也將在科技創新體系建設、深海工程能力提升以及國際科技合作等方面產生顯著的綜合效益。

從科學前沿看，深海中微子望遠鏡的核心科學目標緊緊圍繞《國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）》中“極端宇宙”主題下關于宇宙高能輻射來源、暗物質本質及暫現源物理機制等重大科學問題。海鈴以高能中微子為核心觀測信使，能夠在黑洞環境、強子加速過程與宇宙高能粒子起源等研究中提供區別于電磁和引力波觀測的獨立物理約束，是中國構建多信使天文學觀測體系的關鍵基礎設施。

從科技層面看，該裝置對高靈敏光電探測、深海供能與通信、精密布放與長期穩定運行等關鍵技術提出了系統性需求，將直接帶動深海光電器件、耐壓材料、海底連接器、智能化數據采集與處理等相關技術的發展，促進科研成果向工程應用和產業轉化，形成持續的技術外溢效應。

在社會效益與國家戰略層面，深海中微子望遠鏡依托中國低緯深海海域建設，具有鮮明的開放性和國際合作屬性。習近平總書記指出，要“共同維護南海穩定，把南海建成和平之海、友誼之海、合作之海”。以開放共享的大科學裝置為載體，在南海開展國際前沿基礎科學研究，有助于以科學合作的方式增進國際互信，拓展中國在海洋科技領域的國際合作空間，為南海區域的長期穩定與合作注入新的科技內涵。同時，深海中微子望遠鏡作為長期穩定運行的深海綜合觀測基礎設施，可持續獲取海水光學性質、聲學背景、環境本底輻射與生物發光等多參量數據，為深海環境演化、聲場結構、地震活動與工程穩定性研究提供連續原位觀測支撐，是“透明海洋”和“智慧海洋”體系中面向深?？臻g的重要數據來源。

6 結論

高能中微子天文學正處在由“首次發現”邁向“精確測量與系統研究”的關鍵轉折階段。IceCube成功探測到了高能天體中微子，開辟了中微子天文學的新紀元，然而當代中微子望遠鏡的有限探測能力還難以實現對中微子天體源的批量確認、對復雜輻射機制的深入刻畫，以及對新物理效應的精密檢驗。未來中微子天文學的發展迫切需要在角分辨率、味道鑒別能力，以及全天區覆蓋等方面實現探測靈敏度系統性提升。

海鈴深海中微子望遠鏡正是在這一科學背景下提出的。依托低緯深海臺址在觀測視場上的天然優勢，以及深海水體在光學均勻性和散射特性方面相較南極冰川的顯著優越性，海鈴在高角分辨率、陶中微子識別和精確味比測量等關鍵能力上具有清晰而獨特的技術定位，在全球多信使觀測網絡中形成不可替代的互補作用。

從科學目標到技術路線，海鈴強調以物理問題牽引探測器設計，在陣列布局、探測球艙和深海工程實現等方面形成了一整套具有原創性的解決方案。其建設不僅有望顯著提升中國在高能中微子天文學和多信使天文學中的國際影響力，也將在深海探測、精密光電、海底組網等關鍵技術方向上形成持續的能力積累，為相關領域的長期發展奠定堅實基礎。

總體而言，海鈴中微子望遠鏡是一項兼具明確科學指向與現實可行性的深海大科學裝置。其實施將使中國在全球中微子天文學格局中占據一個具有獨特物理價值的位置，并為揭示宇宙中最極端天體過程、探索超越粒子物理標準模型的新物理提供長期而穩定的觀測平臺。在中微子天文學邁入精確時代的關鍵節點，建議國家在“十五五”期間啟動并穩步推進“海鈴計劃”，搶占中微子天文學重大突破的先機，填補中國實測中微子天文學的空白，實現從起跑到跟跑，甚至領跑的跨越。

本文作者：徐東蓮，景益鵬，田新亮，梅華林，向昕，林忠欽，李家彪，周朦

作者簡介：徐東蓮，上海交通大學李政道研究所&物理與天文學院，暗物質物理全國重點實驗室、上海交通大學海南研究院，副教授，研究方向為中微子天文學、實驗中微子物理學、多信使天文學等。

文章來 源 ：徐東蓮, 景益鵬, 田新亮, 等. 深海中微子望遠鏡的科學機遇與中國布局——依托“海鈴計劃”邁向高能中微子天文學的精確時代[J]. 科技導報, 2026, 44(3):81?94 .

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