我国又一个深海大科学装置正在建设！上海交通大学团队在南海海底3500米处打造中微子“望远镜”

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观海局

我国又一个大科学装置正在紧锣密鼓推进建设，中国科学家要在深海海底3500米深处打造一台全球领先的中微子“望远镜”，这就是由上海交通大学科研团队主导实施的“海铃计划”。

完成探测器布放装置海试

明年初投入建设

近日，“海铃计划”取得关键进展，海底“望远镜”关键装置——光电探测器柔性潜标专用载具已经成功完成海试。经过本轮验证，首批“海铃计划”的探测潜标有望在明年投入建设。本期的《科技推动力》，总台央视记者张春玲独家探访“海铃计划”的项目团队，一起来了解下这个深海里的“望远镜”，要怎样捕捉我们身边无处不在、又难以发现的中微子。

• “海铃计划”：在深海海底打造中微子“望远镜”

这台即将在南海海底3500米深处建造的全球领先的中微子“望远镜”，它有一个无比形象的名字叫“海铃计划”，它就像藏在深海里神秘“耳朵”，“聆听”着宇宙中最神秘的幽灵粒子——中微子发射出的微弱信号，从而了解来自宇宙最深处的秘密。

• “幽灵粒子”：携带宇宙奥秘的中微子

你可能并不熟悉中微子，毕竟它看不见，又很难摸得着，但就在此时此刻，数百亿个中微子，正以接近光的速度穿过你、我和周围的一切——你对此毫无察觉。中微子它不带电、几乎没有质量，能轻松穿透地球，就像“幽灵穿墙”，所以也被叫作“幽灵粒子”。但它也是和引力波一样，是极少数能从黑洞深处逃出来的“信号”，携带着关于宇宙起源、能量，甚至时间的秘密，是我们理解宇宙、追寻宇宙诞生及演化之谜的关键线索。

• 科学家希望通过更强“望远镜”捕捉更多中微子

目前广泛采用的捕捉中微子的方式，是通过观察其与其他粒子碰撞产生的效应来实现，当中微子撞到水体或冰层中的原子核或电子时候，就会激发出蓝色闪光，被探测器捕捉到。

全世界的科学家花了几十年，也只捕捉到了几百个高能天体中微子，难以深入研究深层的规律。所以，现在中国科学家决定造一台更强的望远镜，助力人类来去捕捉这些幽灵信号，以深入探索极端宇宙的奥秘。

上海交通大学李政道研究所长聘学者 “海铃计划”首席科学家 徐东莲：中微子望远镜的探索，原始的想法是起源于1960年。世界上有美国主导的建在南极冰川里的冰立方，还有俄罗斯建在贝加尔湖里的望远镜，还有建在地中海里的KM3NeT望远镜。2010年南极冰立方建成，它很快运行两年后就发现来自银河系外的弥散中微子流，离地球非常远，要去分辨这些中微子的源头，就需要下一代的中微子望远镜。

• 中微子探测体积从1立方公里扩大至10立方公里

刚才提到的几个全球大型中微子望远镜它们探测体量也都在1立方公里左右。不过，随着探测精度要求越来越高，这点体量已经不够用了，我们需要更大、更灵敏的“镜头”。而这正是“海铃计划”的目标，将中微子探测体积扩大到10立方公里。

深海光学探测球舱

在海底探测中微子

那么如此微弱的“幽灵粒子”中微子，要怎么来探测呢？这就要用到一些精密的探测设备，接下来，我们就和记者一起去实验室看看，这些探测中微子的精密的“眼睛”怎样才能在深海中探测中微子。

这个透明的球，就是“海铃计划”中的“铃铛”——深海光学探测球舱。它看起来像一个漂亮的大灯泡，其实是一个极其精密的光电倍增设备。

上海交通大学李政道研究所长聘学者 “海铃计划”首席科学家 徐东莲：它主要是为了看单光子的，它后端有多级的放大，所以单光子打到它上面，经过后端千万倍的放大，我们就可以读出比较大的信号，实现单光子的探测。

• 未来将布设上千根潜标 两万多个探测球舱

这就是“海铃计划”未来建成后的样子，像不像一整片漂浮在海底的“风铃阵”？

再看这些星罗棋布的小点点，它们就是一个个深海光学探测球舱。这些探测球舱每20个为一组，整齐地悬挂在两根长达700米的缆绳上。

缆绳一头固定在海床上，另一头由浮力块向上牵引，这样它就能在水里垂直竖起来，形成一根潜标。

整个“海铃计划”，要布下上千根这样的潜标，也就是说，需要两万多个探测球舱。那它们是怎么“听到”来自宇宙深处的信号呢？

上海交通大学李政道研究所博士生 黄惊涛：中微子之所以把它叫作“幽灵”，它有这样的一个性质，就是物理学上把它叫作“不带电且几乎没有质量”，通俗点就是说它与物质之间反应的概率非常低。

• 探测球舱捕捉中微子水中撞击的切伦科夫光

中微子的物理特性决定了我们很难通过常规手段“捕捉”到它，除非偶尔，有极小的概率，它会和水中的原子核或电子撞一下。这一撞对能量极高的中微子来说不痛不痒，但被撞的那一方会得到中微子传递的一部分能量，打出一大串次级粒子，这些次级粒子没有中微子的“隐身术”，它们的运动速度极快，甚至比光在同介质中的传播速度还要快，于是，一种类似“光爆”的现象就会产生，这就是著名的切伦科夫光。

在水中，切伦科夫光是一种微弱的蓝色闪光，而中微子探测器，就是要通过捕捉那一瞬间的蓝光，去追踪中微子穿越海水时留下的痕迹与方向。

上海交通大学李政道研究所博士生 黄惊涛：这个粒子走过去之后，空间中就留下一个很明显的轨迹，这就是接受的光的轨迹。那么从这个方向我就做一个反向延长，我就知道它是从哪个天体哪个天空中哪个区域来的，我就可以做到一个望远镜的功能。

蜘蛛系统海试成功

精准完成探测潜标布放

据介绍，“海铃计划”中每一根长700米的探测潜标就要串起20个探测球舱。整个项目计划放置1000个左右探测潜标，这个巨大工程需要一个安全高效的布放装置。研究团队从蜘蛛吐丝的连续性与可控性中获得灵感，研发出了蜘蛛系统，在前不久刚刚完成的海试中，正是这个蜘蛛系统完成了对潜标的精准布放。我们继续去实验现场看一看。

在上海交通大学船模拖曳水池，刚刚成功进行完海试的蜘蛛系统，静静的停在这里。

这个像线轴一样的装置，就是“蜘蛛系统”。它缠着的，就是一根挂满探测球舱的潜标。它要解决的难题是在深达3500米的南海海底，布下上千根这样的潜标。每一根都长达七百多米，间隔大约一百米，既要排列得像“海底森林”一样密集、整齐，又不能彼此缠绕、干扰，完成“海铃计划”的部署是一个庞大而精密的工程。而眼下，团队要做的，就是先让第一根潜标，顺利扎根在海底。

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院教授 “海铃计划”副总工程师 田新亮：我们也是受到了这种线轴或者水车、磁带的启发。一个磁带的盘子上，可能可以放上百米的磁带的带子，是一个容纳性非常强的机构，而且像圆轴，它可以非常稳定地工作。

这个布放装置，它现在看起来是一个整体，但实际上，它是由上下两部分组成的。下面这一块是潜标的底座，上面这一大圈“卷轴”则是负责布放的运载装置。在下海前，这两部分通过一根能承受十吨拉力的特制缆绳绑在一起。等沉到海底后，水下机械臂解开这根绳子，“蜘蛛系统”便会瞬间一分为二，底座拽着潜标的一端稳稳留在海床上，而上面的卷轴部分则会被顶上的浮力块拉起来，不断上升。浮力和绳索张力的共同作用下，探测球就会顺着主缆一颗一颗被送出去，直到700米长的潜标完全展开。

而当布放完成，卷轴会自动上浮回到海面，就像是一个深海版的“火箭发射”，卫星留在轨道，火箭自己返航，在效率和成本之间达成了平衡。研究团队经历8次重大的设计迭代和无数次不成功的尝试，最终实现了探测潜标的成功布放，让“海铃计划”从设计图纸上的构想，走向了可在深海落地实施的现实工程。

上海交通大学李政道研究所长聘学者 “海铃计划”首席科学家 徐东莲：2018年启动了项目的研发，2021年进行了选址，预期是2026年建成10根的阵列，完成整个在我国海域建设深海中微子望远镜的一个全面的技术验证。

多项自主首创

打造中微子探测重器

一项科学工程，从概念到原理到试验和最终完成，往往要跨越十年以上，海铃团队在研发过程中，攻克了多项难题，并且创下了多个首创。探索中微子望远镜的过程，也积累了多项创新技术。

除了“蜘蛛”布放系统，“海铃”在探测球舱上也做了不少国际首次的尝试。比如，它第一次把传统光电倍增管和硅基光电探测器结合在一起，让探测信号的反应速度更快、方向判断更准；还采用了类似昆虫复眼一样的设计，几乎整个球面都能感光，更适合在复杂多变的海水环境中，全方位捕捉微弱的信号。同时，团队还首创了实时光学标定系统，能根据海水透明度和洋流变化自动校准，让整个望远镜始终保持“清晰对焦”。这些创新，既解决了深海环境下探测不稳、信号易失真的难题，也让“海铃”成为国际中微子研究领域最受关注的项目之一。

上海交通大学李政道研究所长聘学者 “海铃计划”首席科学家 徐东莲：因为地处赤道，处在一个热带的地球低纬度的台址，所以随着地球的自转，望远镜探测的灵敏天区是扫过全天的，所以跟南极的冰立方会形成良好的互补关系，等我们建设更大体量上能跟冰立方去比拟的时候，我们会进入科学上良好的竞争关系，可以去角逐下一轮的中微子天文学的重大突破。

现在，“海铃计划”正在稳步推进。科学家们计划明年初投入建设后，在未来几年完成关键技术验证，随后展开更大规模的布放。可以说，它正一步步从蓝图，走向真实的深海。从而更好地了解来自宇宙深处中微子带来的秘密。

来源|央视新闻、观察者网

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