南海底的”海铃“，居然是用来捕捉宇宙幽灵信使的！

数百年来，科学家利用望远镜捕捉宇宙光子来进行天文观测。今天，他们有了新的选择。中微子有着如幽灵般极强的穿透力，可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，有助于科学家揭晓剧烈天体过程背后的机制，解开宇宙之谜。

在10月10日举行的上海交通大学南海中微子望远镜“海铃计划”成果新闻发布会上，李政道研究所正式发布“海铃计划”蓝图。该项目由中国科学院院士景益鹏担任项目负责人、李政道学者徐东莲担任首席科学家，将探索建设中国首个深海中微子望远镜，通过捕捉高能（亚TeV到PeV量级）天体中微子来探索极端宇宙。

据悉，海铃团队已完成首次海试任务，测量验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性，完成“海铃”中微子望远镜的概念设计，相关论文10月9日发表于《自然•天文》。

什么是中微子？

20世纪20年代末，科学家在研究β衰变（即原子核辐射出电子转变成另一种核）时，发现在这个过程中有一部分能量不知去向。这使科学家不胜困惑：在亚原子过程中，能量守恒定律是否还成立？1930年，当时年仅30岁的匈牙利物理学家泡利对能量守恒定律深信不疑，并以非凡的直觉预言：在此过程中，必定还有一种不带电的、质量极小的与物质相互作用极弱，以至于无法探测到的新粒子放出来，是它带走了那一部分能量。他把这种未知的粒子叫做“小中子”，就是现在说的“中微子”。

1942年，美国物理学家艾伦按照我国物理学家王淦昌提出的方法，首次通过实验间接证实了中微子的存在。

由于中微子与物质的相互作用很弱，要直接探测到中微子是非常困难的，连泡利本人也认为中微子也许永远测不到。然而，困难并不能阻碍科学的进展，在泡利提出中微子假说的26年之后，美国加利福尼亚大学雷尼斯教授等把400升醋酸镉水溶液作为靶液，放人新投人使用的核反应堆中（作中微子源），每小时测得2.8个中微子，与他的理论预测完全一致。雷尼斯也因此荣获1995年诺贝尔物理学奖。

现代宇宙学研究告诉我们，中微子的种类上限为3，即有3种中微子。除了上述发现的电子型中微子之外，还有μ型中微子（1962年发现）和τ型中微子（1975年发现），每一种中微子都有相同的反中微子。

中微子究竟有没有质量，是该研究领域中最引人注目的课题。20世纪70年代以前，人们普遍认为中微子的质量等于零。1980年，苏联理论与实验物理研究所宣布，经过10年的测试，得到中微子的质量在17～40电子伏之间，轰动了全球的物理学界。此后，世界上许多著名实验室纷纷采用不同的方法来测量和检验这个结果。我国原子能科学院的专家也在20世纪80年代中期开展了这项研究，并取得一定的成果。

2015年10月6日，诺贝尔物理学奖被授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳，以表彰他们通过中微子振荡发现中微子有质量这一研究。

读者也许要问，中微子与物质的相互作用十分微弱，又难以捉摸，研究它有何意义呢？

研究中微子有何意义？

当然，一个中微子是无足轻重的，但是，在我们这个宇宙中，中微子的数量极多，它充满在宇宙的每一个角落，平均每立方厘米就有300个左右，与光子差不多，比其他所有的粒子要多数十亿倍呢！所以，中微子整体对宇宙来说有举足轻重的作用。

另外，中微子还有一种本领，它能够在星球的内部畅行无阻，因此它可以把太阳、星球的内部信息带给我们。科学家还遐想利用中微子的这种特点，来做地球断层扫描，让埋在地球深处的奥秘一览无遗；还设想让中微子穿透地球传送信息，这样长距离通信就可以不要经过卫星和地面站兜圈子了。显然，当扑朔迷离的中微子一旦被人们完全认识后，它将会获得极其广泛的应用。

以往如何探测中微子？

中微子的最大特点就是几乎不与任何物质反应。我们感觉不到它的存在，科学上探测也极为困难。因此，中微子的发现和研究过程，饱含着几代科研人员的心血。

在这个领域，中国做出了重要贡献。2012年，大亚湾中微子实验室宣布发现新的中微子振荡模式，成为中微子研究的一个重要里程碑。2020年12月，大亚湾反应堆中微子实验圆满完成科学任务正式退役，同时另一“国之重器”也开始构建，那就是江门中微子实验探测器。

江门中微子实验（JUNO）位于广东省江门开平市，是由中科院和广东省共同建设的大科学装置，以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数为主要科学目标，并进行其他多项科学前沿研究。项目预计2024年建成运行，届时将成为国际中微子研究的中心之一。

江门中微子实验于2015年开始建设，建于广东江门开平市金鸡镇、赤水镇一带的打石山。目前已经完成了绝大部分的基础建设，无论是地下实验大厅，还是相关的水电气等设备，都已经完成，并安装到位，现在已经开始了探测器安装。

探测中微子，一种办法是通过液体闪烁体探测器来捕捉它们产生的信号。

科研人员在有机玻璃球里注入透明的特制液体——液体闪烁体（简称“液闪”），当中微子穿过球体时，会有一定的几率和液体里密布的氢核发生反应。每一次反应产生一个正电子和一个中子，正电子随即湮灭释放出一个快信号，中子则在反复碰撞后被其他氢核吸收并释放出一个慢信号。一前一后两次闪烁，就透露了中微子的行踪。

“探测器越大，捕捉到的信号就越多，数据量就越大，就越能看到别人所看不到的。

海铃计划如何“捕捉”中微子？

据了解，“海铃计划”首批探路者团队经过海试，在南海北部发现一块水深约3.5公里的深海平原，其海床平整，海底数百米高度范围内流速平缓，且海水测量的放射性与普通海水的公开数据一致。

“海铃”望远镜将以整个地球为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子，“因位于赤道附近，‘海铃’望远镜可通过地球自转探测360度全天域中微子，实现对不同方向中微子的无死角观测，与南极‘冰立方’以及北半球其他中微子望远镜形成互补。”

探路者团队还在约3420米水深处对海水光学性质进行测量，结果显示其平均吸收和散射长度分别为约27米和63米，清澈的海水可更清晰地“录制”中微子与海水反应的踪迹。

“海铃”一期项目已于2022年底启动，拟在选定海域建设10根望远镜串列，并通过长距离海缆连接南海某岛基地，预计于2026年建成世界首个近赤道的小型中微子望远镜，开展对银河系内外的天体源搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证；终极目标是建立终极大阵列。

“海铃”探测器阵列将由1200根垂直线缆组成，每根线缆长约700米，线缆间距70到100米，像海藻一样垂直“生长”在海床上。这些线缆共搭载2.4万个高分辨率光学探测球，整个阵列直径约4公里，总占地约12平方公里，可监测高能中微子反应的海水体积约7.5立方公里，设计寿命为20年。

科学家预计，“海铃”探测器阵列建成一年内可发现鲸鱼座中棒旋星系的稳定中微子源，并能发现类似于“冰立方”利用十年数据才初步观察到的超大质量黑洞的中微子爆发。“海铃”望远镜将于2030年前后成为国际上最先进的中微子望远镜。

来源：科普中国综合科技日报