中国“百川”望远镜：在南海深处网罗宇宙最神秘粒子

什么是中微子？它们无处不在，是这个宇宙中最基本的、数量最庞大的粒子之一；它们极端潇洒，几乎不和任何东西打交道，旁若无物地游荡在宇宙当中；它们是宇宙的活档案，掌握了太多不为人知的秘密，比如宇宙的诞生，恒星的死亡，致密环境情况等等等等；它们是高端的魔法师，在星际旅行中，可以随意地在三种身份之间不停地切换。从泡利1930年预测出它的存在以来，到现在已经将近一百年的时间了，我们慢慢地在接近它们了解它们，但是好像还是没能一窥全貌。

中微子从哪里来？

中微子作为基本粒子，虽然行事低调，却深刻影响着宇宙的运行。大爆炸后的一秒钟，产生了极其庞大的宇宙中微子背景，它们掌握了宇宙最初的信息，这是比宇宙微波背景辐射更早的宇宙印记。中微子作为弱相互作用的参与者，在描述基本粒子形成的标准模型中也扮演着核心的角色。比如贝塔衰变，中子通过释放一个电子和一个反中微子，转换成一个质子。如果没有中微子，弱相互作用就无法完成这种转化，那么许多化学元素就无法产生和转变。同时，中微子在反应过程中默默地携带走了部份的能量和动量，确保了宇宙最基本法则—守恒定律的成立。

在恒星的生死轮回中，中微子作为高效的能量搬运工，参与到了核心过程中。它们诞生于恒星内部温度和密度都极高的心脏部位，那里每时每刻都在发生核聚变反应，从而产生了大量中微子。由于它们不与其他物质相互作用，产生之后就可以像幽灵一样瞬间穿出，直接带走巨额能量，起到了冷却调节的作用。在恒星死亡阶段的超新星爆发中，中微子携带走了约99%的能量。它们以近乎光速的速度向外喷射，产生的中微子吹压将恒星的外壳炸飞，从而宣告了一颗恒星的死亡，并播撒出制造行星和生命的重元素。

在宇宙的巨型粒子加速器中，如活动星系核和伽马射线暴等，所诞生的中微子为我们探测这些遥远而神秘的天体提供了独一无二的信使。比如，活动星系核作为宇宙中最持久、最强大的高能引擎，中心是超大质量黑洞，黑洞周围的吸积盘物质在被吞噬时，因摩擦被加热到极高温度，同时产生强大的喷流。在这样的极端环境中，质子和光子被加速到接近光速，不断发生着剧烈碰撞，产生一种叫做π介子的不稳定粒子，而其会快速衰变，产生谬子和中微子，随后谬子会衰变产生另外的中微子。这些具有较高能量的中微子在粒子高能碰撞这样狂暴的物理过程中被大量制造出来，成为了这些宇宙最剧烈事件中能量和信息输出的绝对主力。

捕获中微子

尽管中微子无所不在，但是在生活中我们是没有办法“看到”它们的，只能通过观察其与探测物质相互作用所产生的次级效应或者痕迹来推断它们的存在和性质。就好像我们处在一片完全黑暗的森林里，想知道周围有没有其他生物。那我们只能通过它们活动发出的声音，留下的痕迹，脚印的大小来推断出它们是什么，从哪儿来，有怎么样的运动。探测中微子就更难了，它们几乎不会在探测器中留下什么来过的证据。只能采用最“笨”也是最有效的方式，制造巨大的陷阱，耐心地等待着它们极其罕见的撞上的一刻。

怎么设计中微子探测器这个陷阱呢？一方面要足够深，比如深海或者深深的地下，利用上面的海水或者岩层来屏蔽其他的宇宙粒子，只让中微子能够穿透进来。另一方面就是要足够大，采用守株待兔的方式，在数以亿亿计穿过探测器的中微子中，极其偶然地会有一个中微子幸运地撞上水中的一个原子核或者电子。

图1 由一串串探测模块组成的中微子探测阵列，蓝色光锥表示谬子中微子在深海环境中产生的切伦科夫光信号

（图片来源：作者团队自制）

当能量很大的中微子击中到水中的物质时，就会将自己的能量转移给带电粒子。这些带电粒子在水中的速度就超过了光在水中的速度（光在水中的传播速度只有真空中的大约75%），从而发出一种梦幻般蓝色的辉光，也就是所谓的切伦科夫光。就好像一架飞机在空气中飞行，当它的速度超过声音在空气中的速度时，会产生音爆一样。

这种沿着中微子初始方向产生的蓝光，就会形成一个锥形的波阵面（如图1所示），就如同快艇超过水波速度时在船尾形成的V形尾迹。那么现在要做的就是探测这些闪光。在深海的致暗环境中，要探测这样微弱的光，就需要采用对这些光极其敏感的光眼睛，也就是光电倍增管来对其进行捕捉。而光电倍增管的工作原理就像是反向运作的灯泡，灯泡利用电来发光，光电倍增管则通过接收光信号来产生电脉冲信号。所获得电脉冲信号的强弱直接反映了粒子能量大小，而根据不同位置所接收到的信号的先后，可以立体地重建出中微子的来源方向。

图2 装载着光电倍增管的光电探测模块，一个个地排布在串上

（图片来源：作者团队自制）

为了迎接我们远道而来的信使，国内外科学家跃跃欲试，中山大学、高能所、上海交大等团队纷纷提出了各自的方案。中大团队提议以图2所示光眼为基础单元，在数千米的深海中，编织一个巨大的光电探测网来对由中微子而来的辉光进行探测，实验名称由此而来——“百川”（英文名NEON）。这个网中镶嵌着的一个个玻璃眼睛，而这些玻璃光眼中密封着光电倍增管。在深海中，除了来自于宇宙带电粒子碰撞大气层产生的大气中微子会干扰我们对来自远方的中微子的判断之外，还有来自海水中具有放射性的钾元素所辐射的光子对探测造成困扰。为了尽可能多地接收到这些蓝色闪光，并且屏蔽额外的来自各个方向的背景光子，我们用较小的3寸大小的光电倍增管将玻璃球填满，从而使每一个探测球获得最大的接光面积，并且具有较好的分辨光子方向的能力，如图2所示。

我们当前的研究表明，如果在中国南海的建设10立方公里的中微子望远镜——百川，我们将对高能中微子具有极佳的灵敏度，可以把钾元素的辐射进行很好的排除，同时作为靠近赤道的探测实验，对全天的中微子都具有较好的探测效率，将在国际上处于领先地位（如图3所示）。

图3 NEON实验的灵敏度曲线与当前国际实验的对比

（图片来源：参考文献1）

大多数的中微子都是宇宙大爆炸的遗留物，并且已经悄无声息地在宇宙中穿行了130亿年。诞生于恒星以及其他天体的中微子，相对还是比较年轻的。在百川的网中，我们相信我们将会和这些携带着很多原始的信息走了很远的距离的中微子相遇，通过它们我们将更好地认识这个宇宙，完善我们对这个世界的认知。

参考文献：

1. Huiming Zhang, Yudong Cui, Yunlei Huang, Sujie Lin, Yihan Liu, and Zijian Qiu et al. A proposed deep sea Neutrino Observatory in the Nanhai. Astropart. Phys., 171:103123, 2025.

出品：科普中国

作者：杨莉莉（中山大学物理与天文学院）

监制：中国科普博览