从诺奖“冰立方”成长起来的科学家，要在中国南海建10倍体量重器

在高能天体物理界，南极冰立方捕获地外高能中微子，此前被视为近年来最接近诺贝尔物理学奖的里程碑突破之一。作为冰立方的核心缔造者，理论物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）成为新科诺奖得主。

10月6日，瑞典皇家科学院宣布，哈尔岑获得当年的诺贝尔物理学奖，以表彰他对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及对具有天体物理起源的高能中微子的发现。

82岁的哈尔岑的开创性贡献，为位于南极点的冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）奠定了基础，该天文台的观测结果推动建立了中微子天文学和多信使天文学领域，让物理学家得以通过观测来自深空的高能事件，解锁宇宙之谜。

上海交通大学物理与天文学院副教授、李政道研究所长聘学者徐东莲曾是“冰立方”的一员，在冰立方工作了约十年，同时也是中国首个深海中微子望远镜项目——“海铃计划”（TRIDENT）的发起人与首席科学家。

由于她的博士生导师是冰立方标定系统负责人，早期徐东莲主要做探测器底层标定，加入后认识了团队负责人哈尔岑。后来，徐东莲到冰立方总部做博士后，直接与哈尔岑合作，共同指导过他的一位博士生。

“哈尔岑有极强的人格魅力和能力，来促成这个大工程的建成，同时也是一个非常可爱、很容易接近的人。”徐东莲对第一财经记者说。

在团队管理与人才培养上，哈尔岑展现出了顶尖学者特有的胸襟与视野。“他很鼓励你探索新的想法，给你很多自由的空间，也很乐意一起进行思想交流与碰撞。做他的博士生很自由，可以很独立地去跟不同的年轻人合作，或者跟其他的教授合作。”徐东莲说。

从南极到南海

中微子是一种基本粒子，是构成宇宙万物的基本单元之一。因为它与物质只有微弱的弱相互作用和引力作用，不能被直接探测，所以只能通过研究它与物质反应后的次级粒子来反推其性质。换言之，只有当一个中微子“死去”的时候，才能被探测到。

在诺贝尔奖发布会现场，瑞典隆德大学原子物理学教授、诺贝尔物理学奖委员会成员斯特凡·克罗尔（Stefan Kröll）接受媒体采访时谈到此次获奖研究的意义时说，诺贝尔物理学奖可以授予一项发明，也可以授予一项发现。克罗尔认为，今年的获奖成果兼具这两方面的意义。一方面，他们发明了能够探测中微子这种基本粒子的探测器；另一方面，他们发现了能量极高的中微子。

上世纪80年代，哈尔岑提出设想，在南极透明冰层向下钻孔，再将串成串的探测器下放至1.5千米处——这里没有太多干扰，当高速中微子撞击原子时，就能探测到那稀有而微弱的闪光。

经过15年的开发，再加上10年建设的冰立方中微子天文台于2011年完工，完工后还不到两年，探测器就观测到了来自银河系外的极高能中微子。2013年，冰立方发表的结果显示，有一群能量超高的中微子，其能量高到不可能在太阳系内产生，并由此开创了中微子天文学的新领域。

今年的诺奖官方报告中，也特别提到了中国的“海铃计划”。作为李政道研究所国际学术咨询委员会委员，哈尔岑曾多次来上海，并公开支持“海铃计划”。2023年，哈尔岑在上海面向公众的科普讲坛上公开评价道：“海铃计划”将为中微子天文学打开全新的篇章。

徐东莲告诉记者，“海铃计划”和她在冰立方的经历密不可分，是一个源头，“我就是从冰立方学习成长起来的，是我学术生涯的起点，关键的科学学术品位、科学人格塑造的关键时期都是在那儿度过的”。

从刚建成时约300人到如今壮大至450人，在冰立方的十年期间徐东莲全程参与了早期的探测器研制、底层数据分析以及后续的一系列重磅科学发现。2014~2015年间，冰立方相继取得重大科学突破。当时临近博士毕业的徐东莲，在与冰立方众多年轻学者的密集交流中，开始思考该领域的下一步走向，“我当时也在思考怎么往前再走一大步，有了在中国南海建设望远镜的朦胧想法”。

“海铃计划”的进展

2018回国后，徐东莲开始投入到中国的下一代高能中微子望远镜“海铃计划”的建设。

2021年，“海铃计划”团队在南海西沙海域3500米深处成功选址，这片海底大平原如今被命名为“海铃盆地”。2022年底，在科技部、国家自然基金委、上海市、海南省及上海交通大学的大力支持下，“海铃一期”项目正式立项启动。

这个在南海深处3500多米建设的装置，探测灵敏度将比“冰立方”提升三个数量级以上。“海水的散射比南极冰川要少得多，能够对中微子望远镜的角度分辨能力带来质的飞跃。”

徐东莲介绍，海铃一期作为先导论证项目，计划布设10根望远镜串列，体量约为0.1个冰立方体量，核心目标是在我国海域完成深海中微子望远镜的全链工程技术验证。

然而，物理学上的巨大优势，对应的是工程层面的极限挑战。徐东莲对第一财经表示，深海深水的工程难度远甚于极地坚冰，“在海里，环境是动态的、流动的，望远镜时时刻刻都有被损坏的风险，对工程、运维能力提出了更高的要求”。

虽然面对诸多挑战，该计划还是如期推进。刚从项目地回来不久的徐东莲告诉记者，国庆期间，海铃团队完成了首串样机的研制、制备与全套测试，并成功将其安装至深海，正式接入南海观测网，目前系统运行完全正常。“这表明我们已经完成了最核心的全链工程技术的全面验证。明年我们就会开展一期的装机，届时将建成世界上首个靠近赤道的深海中微子望远镜。”

徐东莲介绍，相比冰立方，“海铃计划”的探测器设计各方面都不太一样，“相对冰立方这样的一代探测器做了很多的创新提升”。未来，“海铃计划”将与筹备升级至第二代的南极冰立方展开全球协同：“冰立方在南极也会继续升级到二代，我们希望形成一个既有竞争、又有互补的全球中微子观测网。”

尤其在关键的观测天区性能上，海铃占据了独特区位与介质优势。徐东莲解释，“冰立方位于南极，它对南天的观测是很微弱的；海铃在南天的观测能力将会比升级后的冰立方都要高2~3个数量级。”

面向中长期蓝图，海铃团队确立了更为宏大的科学雄心：在“十五五”到“十六五”期间（2035年前），建成体量达到冰立方10倍的超级中微子望远镜。

“我们希望中国南海变成世界上中微子天文学的新中心，也希望海铃变成国际大科学计划，让全世界的青年科学家、天文学家都能加入，一起在中国开展通过中微子仰望星空的事业。”徐东莲如此展望。