上海
今年诺贝尔物理学奖授予“冰立方”中微子天文台发起人弗朗西斯·哈尔岑，引发了公众对中微子天文学的兴趣。今天下午，上海交通大学李政道研究所长聘学者、“海铃计划”首席科学家徐东莲来到上海科技馆，在上海科普大讲坛上向观众介绍了中国首个深海中微子望远镜项目“海铃计划”的研究进展。“中秋假期里，我们团队到南海布放了‘海铃’首根串列样机，已接入南海科学观测网，观测到了大气缪子信号。”徐东莲说，“我们的目标是明年建成‘海铃一期’，开启精密中微子天文学时代。”
徐东莲在上海科普大讲坛上介绍“海铃计划”进展。
中微子是组成宇宙的基本粒子之一，不带电，质量极小，几乎不与物质发生反应。太阳每时每刻都在产生海量中微子，它们几乎无处不在，每秒约有650亿个太阳中微子穿过你的指甲盖。科学家已发现三种中微子——电子中微子、μ（缪）中微子和τ（陶）中微子，在构成物质世界的已知12种基本粒子中，中微子家族占了四分之一。
中微子极难观测，被称为“宇宙幽灵信使”。只有在极少数情况下，单个中微子会与原子核发生相互作用，从而留下可被探测的信号。1988年，哈尔岑提出利用南极冰层探测中微子的设想。当中微子与原子核发生碰撞时，会产生能被透明冰层中的传感器捕捉到的光信号。2011年，“冰立方”中微子天文台在南极建成，开启了中微子天文学时代。它利用1立方公里体积的南极冰体，已探测到多批高能中微子，并研究确认：其中一些中微子来自太阳系外。
“冰立方”南极中微子天文台
“这些中微子可能来自黑洞吸积与喷流、伽玛暴等宇宙极端事件，但‘冰立方’探测到的每个太阳系外中微子，都无法确定它们的来源。”徐东莲告诉听众。究其原因，冰的散射作用比较强，导致中微子穿过南极冰体产生的“切伦科夫光”（俗称“光学音爆”）会多次散射，使得中微子信号的时间分辨率不是很高，信号图像看上去像一条粗粗的毛毛虫。与之相比，深海、深湖底部探测器捕捉到的中微子信号的时间分辨率更高，信号图像又细又光滑，有利于科学家作更精密的分析，找到这些“宇宙幽灵信使”的源头。
据介绍，早在1976年，美国科学家就提出了在深海建造中微子望远镜的构想，但第一根探测器布放后数小时出现漏水，这个项目只能终止。而今，中国的技术能力足以支撑深海中微子望远镜项目。“海铃计划”团队与国内多家高校院所、企业合作，已研发出多款能在南海3500米海底安全作业的设备。
“海铃”中微子望远镜将由约1000根中微子探测潜标组成，形成直径4公里的圆盘状阵列。每根海底潜标高约700米，超过上海中心大厦高度，悬挂20个耐高压“混合型光电球舱”。这些光电球舱能精准定位中微子天体源，布设它们的专用载具名为“蜘蛛系统”，由上海交通大学团队研发。它攻克了超长柔性线缆的深海精准布放这一难题，可保障望远镜阵列在海底顺利建成。
“蜘蛛系统”在南海海试入水。
目前，“海铃”原型串列已记录到大气缪子信号。徐东莲向观众展示了这些信号，它们有点像花瓣，点亮了一个个圆形图案。记录到大气缪子信号，是探测器正常工作的重要标志。缪子是构成物质世界的12种基本粒子之一，平均寿命仅2.2微秒，衰变产物包含电子和中微子。宇宙高能粒子撞击地球大气上层，会产生大量缪子，这些缪子穿透地层抵达水下或冰下探测器，是本底信号中最主要的一类。
“海铃计划”的目标是建成10立方公里的中微子望远镜阵列，不仅体积是“冰立方”的10倍，探测精度也将明显优于“冰立方”。徐东莲说，全球筹划中的二代中微子望远镜还有4个，分别是欧盟1立方公里的KM3NeT、俄罗斯1立方公里的Baikal-GVD、加拿大1立方公里的P-One，以及美国计划扩大到8立方公里的“冰立方二代”。可以预见，精密中微子天文学将是国际竞争与合作并存的前沿科学领域，中国科学家将成为这一领域的主角之一。
原标题：《中国“海铃计划”首根样机在南海布放成功，将开启精密中微子天文学时代》
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