聚焦深海中微子望遠鏡建設

李政道研究所“海鈴計劃”團隊獲重大進展

成果發表于《自然·天文》雜志

建設藍圖正式發布

10月10日上午，上海交通大學李政道研究所正式發布南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”藍圖。“海鈴計劃”由上海交通大學李政道研究所發起并牽頭，旨在探索建設中國首個深海中微子望遠鏡，由中國科學院院士景益鵬擔任項目負責人、李政道學者徐東蓮擔任首席科學家。項目將通過捕捉高能（亞TeV到PeV量級）天體中微子來探索極端宇宙，為我國填補該領域的空白，加速構建我國完備的多信使天文網，推動粒子物理、天體物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究，孕育多項原創科學發現，為人類文明做出重要的科學貢獻。

圖1：海鈴計劃構想圖。陣列成潘路斯（Penrose）密鋪幾何，約有1200條垂直線纜，每條線纜上約有20個光學模塊，線纜位于海洋下方約3500米深處，監測體積為 (4 x 4 x 0.5) 立方公里

中微子翻開多信使天文學新篇章

1609年伽利略發明了望遠鏡，極大推動了天文學的發展。此后400多年，眾多的天文觀測依然主要基于捕捉宇宙中傳來的光子來實現，但光子僅僅是宇宙發送的眾多“信使”之一。為了進一步揭開宇宙起源與演化的奧秘，人類不斷地嘗試著探尋其它信使的蹤影。

中微子是宇宙中數量最多的次原子粒子之一。由于其如幽靈般極強的穿透力，中微子可輕松逃逸極端、致密的宇宙和天體環境而不改變方向，是研究極端宇宙的理想信使。對中微子更深入的探究，或再次顛覆人們對基本物理規律的認知，確切地解答宇宙射線起源的百年謎題。

圖2: 中微子天文。中微子可輕松逃逸極端、致密的宇宙和天體環境，并在宇宙中傳播不因磁場而改變方向，是追根溯源、研究極端天體現象的理想信使

中微子天文學的思想起源于1960年蘇聯物理學家馬可夫提出的在深海或湖里建造切倫科夫光探測元件陣列的構想。2010年，目前國際世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方（IceCube）建成，其探測器陣列建在2500米深的南極冰層中。此外，在地中海的KM3NeT和在貝加爾湖的Baikal-GVD項目均有部分深水中微子望遠鏡陣列在運行中。中微子天文學正處于重大突破的門檻上。當下，世界主要發達國家都在積極地籌建性能大大優化的二代中微子望遠鏡，在提升探測靈敏度的同時更精確地定位中微子源。二代望遠鏡的建成，有望催生中微子天文學和基礎物理學的新突破。

“海鈴”團隊重大科研進展

得益于自“十二五”以來的我國在深海工程技術方面的飛速發展，使得在我國建設深海中微子望遠鏡成為可能。這正是我國進軍中微子天文學這一新興領域，實現迎頭趕上甚至超越國際前沿的科學時機。此外，我國在多波段望遠鏡（如LHAASO，HXMT/eXTP，CSST, FAST）、空間引力波（如太極和天琴）和低能中微子觀測站（JUNO）均已有布局，海鈴深海中微子望遠鏡將填補我國多信使天文觀測網中尚且空缺的重要一環，極大促進和完善我國建立的多信使天文觀測網。

圖3: 海鈴探路者出海人員合影

2021年09月初，由上海交通大學牽頭的“海鈴探路者”項目團隊完成首次海試任務。本航次由徐東蓮擔任航次首席科學家，海洋工程專家田新亮擔任領隊，共有來自上海交通大學、北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所、向陽紅03號科考船等機構的近八十位科研人員與技術人員共同參與。本次海試成功測量了預選海域的深海流速、原位海水光學性質、放射性本底，驗證了候選海域作為中微子望遠鏡臺址的可行性，為“海鈴計劃”的后續推進奠定了基礎。

圖4: 預選海址處低緯度近赤道地帶，隨著地球的自轉，可360度巡天，與南極冰立方以及北半球的其他中微子望遠鏡形成了完美的互補！

海鈴團隊在這些重要結果基礎之上，完成了海鈴中微子望遠鏡的概念設計，相關論文于2023年10月09日發表于《自然·天文》雜志。徐東蓮為該論文的通訊作者，交大李政道研究所的博士后葉子平、博士生田瑋以及北京大學天文系博士生胡帆為共同第一作者。論文證實了預選臺址擁有建設中微子望遠鏡的良好深海環境，其海水的光學屬性滿足建設大型望遠鏡陣列的要求。基于上述結果，項目組利用上海交大“思源一號”科學計算平臺進行模擬計算，正式提出南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”（英文：TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）的概念設計。

“海鈴”擘畫中微子望遠鏡藍圖

“海鈴計劃”首席科學家徐東蓮曾在冰立方國際合作組中學習、工作多年，2018年9月，徐東蓮回國加入上海交大李政道研究所，依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平臺，開始進一步探索國內建設中微子望遠鏡的可行性。2020年8月15日徐東蓮代表“海鈴計劃”團隊，正式提出了南海中微子望遠鏡——“海鈴計劃”的建設規劃和行動計劃。

“海鈴計劃”將分步實施。2022年底，在科技部、上海科學技術委員會和上海交通大學的支持下，海鈴一期項目已啟動。海鈴一期擬在選定海域建設10根望遠鏡串列，并通過長距離海纜連接南海某島基地。預計2026年成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡，開展對銀河系內外的天體源搜索，并完成建設大陣列的全鏈技術驗證。海鈴計劃的終極大陣列將包括約1200根望遠鏡串列，超越升級后的冰立方，預期在2030年前后成為國際上最先進的中微子望遠鏡。

海鈴項目得到了教育部、科技部、上海市、海南省的大力支持，望遠鏡的預研工作也是上海市科委的重大項目和科技部重點研發專項青年項目。為了支撐“海鈴探路者”項目的順利執行，上海交通大學于2021年06月成立了海鈴合作組，依托上海交通大學物理學、天文學、海洋工程、海洋科學、材料科學、電氣工程、通訊工程等多學科優勢交叉合作，同時與北京大學、清華大學、中國科學技術大學、自然資源部第二海洋研究所等科研院校的相關學科緊密合作，至今項目組已發展到10余家合作單位，近百名成員，穩步推進科學、工程、技術等方面的協同攻堅。