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Seabell的计划将如何通过探测海底三公里床的宇宙高能中微子来实现?

作者:澎湃新闻

新闻见习记者 严家轩 记者 高文

一个巨大的立方体在南海海底3000米深处发光,洋流轻轻地推动它,立方体上种植着大约一千根电缆,像藻类一样跳舞。

黑暗,安静,专注,这是2030年。海水是它的透镜,它的眼睛在3000米的深度穿过海洋,试图从宇宙,大气,运动或无声的死亡中捕获高能中微子。

这不是科幻故事的情节,而是上海交通大学正在领导的海陵工程,这是一个旨在通过研究中微子探索高能物理学世界的重大项目,希望在2030年左右建造第一台中国主导的深海中微子望远镜。

完成后,人类将有机会捕获高能物体中的中微子并探索极端宇宙。

近日,该项目已成功迈出第一步——成功在预定海域内成功发布了多套自研实验仪器,不仅原位采集了3500米海深超过1TB的珍贵数据,还对整个深海水域的相关性质进行了扫描、测试。经过初步分析,验证了预选海区作为中微子望远镜候选地点的可行性。

"在洋流和中微子信号的影响下,这个阵列有一种略微跳舞的感觉,如果我们以浪漫的心态看待图像,它就像一个信号阵列,通过钟声拨号,给我们一个来自遥远宇宙深处的信息,所以它被称为'海铃计划'。该项目的首席科学家、上海交通大学学者徐冬莲说。

Seabell的计划将如何通过探测海底三公里床的宇宙高能中微子来实现?

"海铃计划"探路者项目组近日完成了预定的海上试航任务,安全抵达上海。本文图片均由上海交通大学提供

"海铃计划":监测北京100多万个水立方体

从科研团队来看,"海铃"是一个由大约一千根电缆组成的大型网格阵列,每个电缆都容纳了数十个光学球体,每个光球包含光电探测器。

Seabell监测了超过100万个北京"水立方体",目标是建造一系列水下中微子望远镜,这些望远镜将连续运行20-30年,全天候和全职。

为什么这个巨大的装置在海底?

一是海底压力大,气泡少,其次,海底可以屏蔽大气噪声和大量的宇宙射线,使探测器在安静的环境中能看得更清楚,除了水的散射吸收光很弱外,光可以传播得更远。"可以说,海水是中微子反应的介质,可以理解为我们的望远镜本身的一部分。"徐冬莲说。

南海属于低纬度地区,"海铃"在南海随着地球的自转,可以监测更广阔的天空,全天探测都保持着灵敏度,横扫整个附近的宇宙。在中微子研究取得进展后,Seabell能够进一步扫描地球内部以了解其中的奥秘。

在调动了大量关于海底和海水的研究数据后,研究小组选择了"大海像蓝色墨水一样细腻,泥层像面具一样细腻"的南海区域。

通过这次对南海的测试,该团队也基本确定南海适合作为望远镜"基地"。"我很幸运能在我们国家找到这样一个地方,在那里我们可以制造一个设备。水足够深,水平静干净,海床平坦,没有这些条件很难做到。徐冬莲介绍道。

Seabell的计划将如何通过探测海底三公里床的宇宙高能中微子来实现?

该团队在南中国海对其进行了测试,图中是"触底系统"。

Seabell的计划将如何通过探测海底三公里床的宇宙高能中微子来实现?

该团队在南中国海进行了测试,图为"四季潜艇"。

近日,"海铃计划"探路者项目组完成各项预定海试并安全抵达上海,为"海铃计划"的后续工作奠定了坚实的基础。

本次航行由首席科学家、海洋工程学者田新良担任首席科学家徐冬莲领航,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的30多名科研人员和技术人员参加了此次航行。

微小的粒子蕴含着巨大的奥秘,中微子天文学正在兴起

为什么海铃计划要观测中微子?

根据上海交通大学的说法,中微子是构成宇宙的基本单位之一,是宇宙中粒子数量最多的。它不带电,与物质的相互作用非常微弱,像幽灵一样,不稳定,极难捕捉。

学术界普遍认为,宇宙射线的起源仍然是一个谜,因为它们在星际传播过程中会向磁场的方向偏转。宇宙射线反应产生的中微子一旦被发现,可以追溯到它们的根源,因此宇宙射线起源的百年之谜可以通过检测高能物体中的中微子源来解决。

通过建造不同的探测器来研究中微子的振荡行为(中微子在时空传播过程中可以相互转换,并在时空的瞬间转化),人类可以部分地瞥见宇宙中物质形成的基本规律,但中微子本身仍然有许多未解之谜,对中微子的探索更深层次, 或者再次颠覆我们对基本物理定律的理解。

据上海交通大学称,世界上最大的中微子望远镜Ice Cube选择在2,500米的南极冰层中建造一系列探测器。2013年,Ice Cube首次探测到来自地球以外的高能中微子的扩散流,为高能中微子天文学打开了大门。然而,这种中微子流既没有显示出聚集的迹象,也没有明确提到任何已知的天体来源,这表明在地球附近的宇宙中没有高能中微子的强辐射源。为了有效找到高能中微子的来源,下一代中微子望远镜的探测灵敏度有待提高。

目前,欧、美、中正在积极准备建造性能显著优化的第二代中微子望远镜,预计在2030年左右建成,届时中微子天文学领域可能取得重大突破。

负责编辑:徐晓阳

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