在南海三千米海底探测宇宙高能中微子，海铃计划要如何实现？

黑暗，安静，专注，这是2030年。海水是它的镜片，它的目光穿过3000米深的海洋，设法捕捉来自宇宙的、大气的，运动或无声消亡的高能中微子。

这不是科幻故事中的情节，这是上海交通大学正在牵头的“海铃计划”——这一重大项目试图通过研究中微子，来探索高能物理世界，希望能在2030年左右建成首个中国主导的深海中微子望远镜。

建成后，人类将有机会通过它来捕捉高能天体中微子，探索极端宇宙。

日前，项目已成功迈出了第一步——成功在预定海域布放数套自研的实验仪器，不仅原位采集到3500米海深的超过1TB的珍贵数据，还针对全水深海水相关性质进行扫描、检测。经初步分析，验证了预选海域作为中微子望远镜候选台址的可行性。

“阵列在洋流的作用下有微微跳舞的感觉，中微子信号一来，如果我们用浪漫的心态去观测图像的话，它就像信号拨过铃铛的阵列，给我们带来遥远宇宙深处的讯息，因此命名为‘海铃计划’。”项目首席科学家、上海交通大学李政道学者徐东莲说。

“海铃计划”探路者项目团队近日完成各项预定海试任务并安全抵沪。本文图片均为 上海交通大学 供图

“海铃计划”：监测水体超过100万个北京水立方

澎湃新闻记者从科研团队了解到，“海铃”是一个由约千根线缆形成的大型格点阵列，每根线缆安放数十个光学球舱，每个球舱内含光电探测器。

“海铃”监测水体超过100万个北京“水立方”，其工程目标是建成一个连续工作20-30年、全天候、全时段运行的海底中微子望远镜阵列。

为何在海底安放这一巨大装置？

科研团队介绍，首先，海底高压、少气泡；其次海底可以屏蔽大气噪声与大量宇宙射线，让探测器在安静的环境下看得更清楚；此外海水对光的散射吸收很弱，光可以传播更远的距离。“可以说，海水是中微子反应的介质，也可以理解为我们望远镜本身的组成部分。”徐东莲说。

南海属于低纬度，“海铃”在南海随着地球自转，可以监测到更广阔的天区，对全天的探测都保有灵敏度，扫过整个附近的宇宙。在中微子研究有进展之后，“海铃”还能进一步对地球内部进行断层扫描，了解其中奥秘。

调动了大量有关海底、海水的研究数据后，科研团队选定了南海这片“海水像蓝墨水，泥层像面膜一样细腻”的区域。

通过此次去往南海海试，团队也基本确定，南海适合作为望远镜“底座”。“太幸运了，在我们国内，可以找到这么一个可以建设装置的地方。水深足够，海水平静又干净，海床平整，这些条件缺一个都很难办。”徐东莲介绍。

团队在南海海试，图为“落底系统”。  

团队在南海海试，图为“四季潜标”。

近日，“海铃计划”探路者项目团队完成各项预定海试任务并安全抵沪，为“海铃计划”的后续推进奠定了坚实的基础。

本航次由徐东莲担任首席科学家，海洋工程学者田新亮担任领队，共有来自上海交通大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、自然资源部第二海洋研究所等机构的三十余位科研人员与技术人员共同参与。

极小粒子包含极大奥秘，中微子天文学方兴未艾

“海铃计划”为何要观测中微子？

上海交大介绍，中微子是构成宇宙的基本单元之一，也是宇宙中数量最多的粒子。它不带电且与物质相互作用极弱，如幽灵一般，极难被捕捉。

学界普遍认为，因为宇宙射线在星际传播受磁场作用发生方向偏转，其源头至今仍是个谜。而由宇宙射线反应而产生的中微子一旦被探测到，就能追根溯源，因此可通过探测高能天体中微子源，来一锤定音地解答宇宙射线起源的百年谜题。

通过建造不同的探测器来研究中微子的振荡行为（在时空传播过程中可相互转换，在时空转变的刹那转换模样），人类得以部分窥见宇宙物质形成的基本规律，但中微子本身仍有许多未解之谜，对中微子更深入的探究，或再次颠覆我们对基本物理规律的认知。

上海交大表示，目前世界上最大的中微子望远镜冰立方（IceCube）就选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。2013年，冰立方首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流，叩开了高能中微子天文学的大门。然而，这个中微子流既没有集聚迹象，也没明确地指回任何已知的天体源，这说明地球附近的宇宙中并不存在强烈辐射高能中微子的天体源。若要有效地寻找高能中微子的天体源，仍需提升下一代中微子望远镜的探测灵敏度。

当下，欧美和中国都在积极地筹建性能大大优化的二代中微子望远镜，预期在2030年前后建成，届时中微子天文学领域或将实现重大突破。