转自:徐瑞哲
中国正在南海率先建设世界首个近赤道的中微子望远镜,并计划在后期大规模建设中达到国际最先进水平。从贝加尔湖到地中海,再到南极冰层深处“冰立方”,加之我国“海铃计划”新蓝图上的这台中微子望远镜,各国纷纷扎进大洋大海大湖,在深水中侦听并捕捉宇宙中的“幽灵信使”——中微子。
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10月10日上午,“海铃”团队在上海交通大学李政道研究所宣布“海铃”中微子望远镜完成概念设计,相关论文北京时间9日深夜在国际上发表于《自然·天文》杂志。
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想要“穿越宇宙来看你”,或者“穿透地球来找你”,中微子当仁不让。约140亿年前宇宙大爆炸,形成构成全宇宙的最小物质单元——基本粒子。作为一种看不见、摸不着的基本粒子,中微子并不带电,质量极其微小,只参与物质之间非常微弱的弱相互作用。
宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发均伴随着海量中微子产生,而连高能光子也无法逃逸的黑洞,中微子却能从中逃出。无数的它们轻松穿过这样的致密天体环境,而且不改变方向,不远“亿万光年”光临地球,携带大量天体物理信息。至今,已知的3类中微子,共产生了4座诺贝尔奖。
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中微子如幽灵般难以捕获,必须在极深处、无人区建立超大体积、超级灵敏的粒子探测器,才能“见微知著、静听寰宇”,更精确地定位遥远而神秘的中微子源。解放日报·上观新闻记者了解到,作为目前世界最大的中微子望远镜,冰立方(IceCube)就埋藏在南极冰层以下1.5到2.5公里,由5000多个“光学舱”形成方圆1公里以上的探测器阵列。其2013年发现银河系外的高能中微子,开启中微子天文学新时代。去年,它又新发现鲸鱼座中距离地球4700万光年的活动星系NGC1068。
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在“海铃计划”负责人、中国科学院院士景益鹏看来,通过“幽灵信使”直接回指源头,探索极端宇宙,不仅可以解开太空中宇宙射线起源的世纪之谜,还能检验时空对称性、寻找量子引力并间接寻找暗物质。
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有意思的是,除了可以“上知天文”,探测中微子还能“下知地理”,因为只有中微子可以穿越整个地球,利用这些粒子就能为地球做CT,真正透视全球。在“海铃计划”中,中微子望远镜的探测器阵列正是贴着海底,侦测从地球对面穿透过来的中微子信号。
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据悉,“海铃”台址位于南海北部一个深约3.5公里的深海平原,海底数百米高度范围内流速非常平缓。深海海水测得的放射性,与普通海水的公开数据一致。由于位于赤道附近,“海铃”望远镜可以通过地球的自转探测360度全天域的中微子,实现对不同方向中微子的无死角观测。这与南极“冰立方”以及北半球的其他中微子望远镜,形成了完美互补。
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解放日报·上观新闻记者了解到,“海铃”探测器阵列由1200根垂直线缆组成,每根线缆长约700米,互相间距70到100米,像海藻一样垂直锚定于平整的海床上,各条线缆共连结着2.4万个探测球。整个近似圆柱形的阵列直径约4公里,总占地面积约为12平方公里,设计寿命为20年。
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作为新论文通讯作者,“李政道学者”徐东莲2008年从中科大毕业后,在美10年完成博士后研究,其间在“冰立方”建成之初就赴南极极点,后于2018年归国加盟李政道研究所粒子与核物理研究部。
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2021年,由徐东莲担任航次首席科学家的“海铃探路者”项目团队完成首次南海海试,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、向阳红03号科考船等的近80位科研人员与技术人员共同参与。此次任务研制了适用于4000米深海环境、携带高灵敏感光元件的探测球舱和相应的深海布放系统,验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性。
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在科技部、上海市科委和上海交通大学支持下,已启动的“海铃(TRIDENT)”一期项目拟在选定海域先建设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2026年成为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。海铃计划的终极大阵列则有望超越升级后的二代“冰立方”,预期在2030年前后成为国际上最先进的中微子望远镜。
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