“海鈴計劃”構(gòu)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(jiān)測體積為 (4 x 4 x 0.5) 立方公里。 本文圖片 上海交通大學提供 

“我們想象一下，在3.5公里深的海底要建造一個望遠鏡，它可以朝下看，是反直覺的。”10月10日，在南海中微子望遠鏡“海鈴計劃”的藍圖發(fā)布會上，中國科學技術(shù)大學教授盧征天這樣形容，“它看的是穿過整個地球的中微子，它們來自遙遠的星系，可能是上億年前甚至上幾十億年前產(chǎn)生的中微子。這是一個多么大膽、多么富有想象力的計劃。”

10月10日，徐東蓮介紹“海鈴計劃”。

“海鈴計劃” （英文：TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope，TRIDENT）由上海交通大學李政道研究所發(fā)起并牽頭，旨在探索建設(shè)中國首個深海中微子望遠鏡，項目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(lǐng)域的空白，加速構(gòu)建我國完備的多信使天文網(wǎng)。近日，項目發(fā)布最新研究進展及規(guī)劃藍圖。

2022年底，在科技部、上?？茖W技術(shù)委員會和上海交通大學的支持下，海鈴一期項目已啟動。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(nèi)外的天體源搜索，并完成建設(shè)大陣列的全鏈技術(shù)驗證。

預期在2030年前后，“海鈴計劃”將建成國際上最先進的中微子望遠鏡。“海鈴計劃”的終極大陣列將包括約1200根望遠鏡串列，像海藻一樣垂直錨定于海床上。海鈴陣列直徑約4公里，總占地面積約為12平方公里，可監(jiān)測高能中微子反應(yīng)的海水體積約7.5立方公里，設(shè)計壽命為20年。

微子天文。中微子可輕松逃逸極端、致密的宇宙和天體環(huán)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(xiàn)象的理想信使。

“捕獲”中微子，探索極端宇宙

中微子天文學的重要性何在？

1609年伽利略發(fā)明了望遠鏡，極大推動了天文學的發(fā)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(xiàn)，但光子僅僅是宇宙發(fā)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(shù)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(huán)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索，或再次顛覆人們對基本物理規(guī)律的認知，確切地解答宇宙射線起源的百年謎題。

中微子天文學的思想起源于1960年蘇聯(lián)物理學家馬可夫提出的在深?；蚝锝ㄔ烨袀惪品蚬馓綔y元件陣列的構(gòu)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(fā)達國家都在積極地籌建性能大大優(yōu)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(chǔ)物理學的新突破。

2021年項目團隊完成首次海試任務(wù)

“陣列在洋流的作用下有微微跳舞的感覺，中微子信號一來，如果我們用浪漫的心態(tài)去觀測圖像的話，它就像信號撥過鈴鐺的陣列，給我們帶來遙遠宇宙深處的訊息，因此命名為‘海鈴計劃’?！表椖渴紫茖W家、上海交通大學李政道學者徐東蓮曾在2021年的采訪中向記者描述。

2021年9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(wù)。該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(lǐng)隊，近八十名科研人員與技術(shù)人員共同參與。

海鈴探路者出海人員合影。

在此前僅一年極有限的研發(fā)時間窗里，上海交大李政道研究所、物理天文學院、船建學院的團隊合作研制了適用于4000米深海環(huán)境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應(yīng)的深海布放系統(tǒng)。合作單位中，中國科技大學團隊完成了光電管測試、后端電子學研制，清華大學團隊完成了高精度時鐘同步系統(tǒng)，自然資源部第二、第三海洋研究所團隊主導了包括流速剖面、溫度、鹽度等深海水文數(shù)據(jù)的采集和分析。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(zhì)、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(xù)推進奠定了基礎(chǔ)。

海鈴團隊在這些重要結(jié)果基礎(chǔ)之上，完成了海鈴中微子望遠鏡的概念設(shè)計，相關(guān)論文于2023年10月9日發(fā)表于《自然·天文》雜志。徐東蓮為該論文的通訊作者，上海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。

聚焦深海中微子望遠鏡建設(shè)，李政道研究所“海鈴計劃”團隊獲重大進展，10月9日成果發(fā)表于《自然·天文》雜志。

預計陣列建成后一年內(nèi)，能夠發(fā)現(xiàn)棒旋星系NGC 1068的穩(wěn)定中微子源

論文中詳盡論述了預選臺址擁有建設(shè)中微子望遠鏡的良好深海環(huán)境，臺址位于南海北部的一個深約3.5公里的深海平原，海床平整、海底數(shù)百米高度范圍內(nèi)流速非常平緩。深海海水測量的放射性與普通海水的公開數(shù)據(jù)一致。中微子望遠鏡利用整個地球作為屏蔽體，接收從地球?qū)γ娲┩付鴣淼闹形⒆印Ｓ捎谖挥诔嗟栏浇?，海鈴可以通過地球的自轉(zhuǎn)探測360度全天域的中微子，與南極冰立方以及北半球的其他中微子望遠鏡形成了互補。

預選海址處低緯度近赤道地帶，隨著地球的自轉(zhuǎn)，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互補。

徐東蓮介紹，預選臺址海水的光學屬性滿足建設(shè)大型望遠鏡陣列的要求。探路者團隊通過部署自研的高靈敏感光元件探測球艙，首次實現(xiàn)同時使用兩套獨立的光學測量系統(tǒng)（光電倍增管系統(tǒng)和相機系統(tǒng)），在預選臺址約3420米水深原位測量了海水的光學性質(zhì)，結(jié)果顯示其平均吸收和散射長度分別為約27米和63米。相比之下，普通的自來水衰減長度常常只有2-3米。清澈的海水可更清晰地“錄制”中微子與海水反應(yīng)的蹤跡，更有利于重建中微子的種類、來源的方向和攜帶的能量。在候選臺址成功布放探測球艙也部分驗證了未來海鈴望遠鏡的耐高壓玻璃球艙、光電探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與模擬、深海潛標布放等核心技術(shù)。

基于上述結(jié)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”的概念設(shè)計。探測器陣列由1200根垂直線纜組成，每根線纜長約700 米，互相間距70-100米，像海藻一樣垂直錨定于海床上，并搭載約20個高分辨率光學探測球艙。海鈴陣列直徑約4公里，總占地面積約為12平方公里，可監(jiān)測高能中微子反應(yīng)的海水體積約7.5立方公里，設(shè)計壽命為20年。

海鈴團隊創(chuàng)新提出新型混合探測球艙概念設(shè)計，將艙內(nèi)表面緊密覆蓋了多個能探測到單光子的光電倍增管（PMT），形成類似于果蠅的復眼結(jié)構(gòu)，同時巧妙地利用PMT之間的空隙安裝超快時間響應(yīng)的硅光電倍增管，進一步優(yōu)化中微子探測性能，將能實現(xiàn)無死角地觀測不同方向的中微子。

據(jù)介紹，預計海鈴陣列建成后一年內(nèi)，就能夠發(fā)現(xiàn)鯨魚座（Constellation Cetus）中的棒旋星系NGC 1068的穩(wěn)定中微子源，并發(fā)現(xiàn)類似于冰立方利用十年的數(shù)據(jù)才初步觀察到的TXS 0506+056耀星體（一個正在吞噬物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞）的中微子爆發(fā)。

“這是一個巨大的深海大型密集潛標陣列，是一個前所未見的深海大工程，因此全球范圍內(nèi)目前還沒有成熟的經(jīng)驗?！碧镄铝两榻B，“海鈴計劃”還將面對如何將密集陣列安全精準地安裝到海底、如何應(yīng)對海底極端災害環(huán)境、如何運行和維護望遠鏡陣列、如何為深海大陣列供電及數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊染唧w挑戰(zhàn)。

“像是要在3.5公里深的海底種水稻。可以說‘海鈴計劃’不僅是基礎(chǔ)科學的前沿探索，更是深海技術(shù)的練武場?！ｂ徲媱潯膶嵤┮矊⒋罅ν苿游覈詈９こ萄b備和技術(shù)的提升?！碧镄铝琳f。