中国首个深海中微子望远镜计划部署南海海底

来源:观察者网

2023-10-11 15:10

观察者网从上海交通大学获悉,10月10日上午,上海交通大学李政道研究所正式发布南海中微子望远镜“海铃计划”蓝图。“海铃计划”由上海交通大学李政道研究所发起并牵头,旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜,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。

项目将通过捕捉高能(亚TeV到PeV量级)天体中微子来探索极端宇宙,为我国填补该领域的空白,加速构建我国完备的多信使天文网,推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究,孕育多项原创科学发现,为人类文明做出重要的科学贡献。

图1:海铃计划构想图。阵列成潘路斯(Penrose)密铺几何,约有1200条垂直线缆,每条线缆上约有20个光学模块,线缆位于海洋下方约3500米深处,监测体积为 (4 x 4 x 0.5) 立方公里

1609年伽利略发明了望远镜,极大推动了天文学的发展。此后400多年,众多的天文观测依然主要基于捕捉宇宙中传来的光子来实现,但光子仅仅是宇宙发送的众多“信使”之一。为了进一步揭开宇宙起源与演化的奥秘,人类不断地尝试着探寻其它信使的踪影。

中微子是宇宙中数量最多的次原子粒子之一。由于其如幽灵般极强的穿透力,中微子可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向,是研究极端宇宙的理想信使。对中微子更深入的探究,或再次颠覆人们对基本物理规律的认知,确切地解答宇宙射线起源的百年谜题。

图2: 中微子天文。中微子可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境,并在宇宙中传播不因磁场而改变方向,是追根溯源、研究极端天体现象的理想信使

中微子天文学的思想起源于1960年苏联物理学家马可夫提出的在深海或湖里建造切伦科夫光探测元件阵列的构想。2010年,目前国际世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方(IceCube)建成,其探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。此外,在地中海的KM3NeT和在贝加尔湖的Baikal-GVD项目均有部分深水中微子望远镜阵列在运行中。中微子天文学正处于重大突破的门槛上。当下,世界主要发达国家都在积极地筹建性能大大优化的二代中微子望远镜,在提升探测灵敏度的同时更精确地定位中微子源。二代望远镜的建成,有望催生中微子天文学和基础物理学的新突破。

得益于自“十二五”以来的我国在深海工程技术方面的飞速发展,使得在我国建设深海中微子望远镜成为可能。这正是我国进军中微子天文学这一新兴领域,实现迎头赶上甚至超越国际前沿的科学时机。此外,我国在多波段望远镜(如LHAASO,HXMT/eXTP,CSST, FAST)、空间引力波(如太极和天琴)和低能中微子观测站(JUNO)均已有布局,海铃深海中微子望远镜将填补我国多信使天文观测网中尚且空缺的重要一环,极大促进和完善我国建立的多信使天文观测网。

图3: 海铃探路者出海人员合影

2021年09月初,由上海交通大学牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务。本航次由徐东莲担任航次首席科学家,海洋工程专家田新亮担任领队,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、向阳红03号科考船等机构的近八十位科研人员与技术人员共同参与。本次海试成功测量了预选海域的深海流速、原位海水光学性质、放射性本底,验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性,为“海铃计划”的后续推进奠定了基础。

图4: 预选海址处低纬度近赤道地带,随着地球的自转,可360度巡天,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的互补!

海铃团在这些重要结果基础之上,完成了海铃中微子望远镜的概念设计,相关论文于2023年10月09日发表于《自然·天文》杂志。徐东莲为该论文的通讯作者,交大李政道研究所的博士后叶子平、博士生田玮以及北京大学天文系博士生胡帆为共同第一作者。论文证实了预选台址拥有建设中微子望远镜的良好深海环境,其海水的光学属性满足建设大型望远镜阵列的要求。基于上述结果,项目组利用上海交大“思源一号”科学计算平台进行模拟计算,正式提出南海中微子望远镜“海铃计划”(英文:TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope,TRIDENT)的概念设计。

“海铃计划”首席科学家徐东莲曾在冰立方国际合作组中学习、工作多年,2018年9月,徐东莲回国加入上海交大李政道研究所,依托交大在天文、粒子物理和海洋工程等方面的研究平台,开始进一步探索国内建设中微子望远镜的可行性。2020年8月15日徐东莲代表“海铃计划”团队,正式提出了南海中微子望远镜——“海铃计划”的建设规划和行动计划。

“海铃计划”将分步实施。2022年底,在科技部、上海科学技术委员会和上海交通大学的支持下,海铃一期项目已启动。海铃一期拟在选定海域建设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将包括约1200根望远镜串列,超越升级后的冰立方,预期在2030年前后成为国际上最先进的中微子望远镜。

海铃项目得到了教育部、科技部、上海市、海南省的大力支持,望远镜的预研工作也是上海市科委的重大项目和科技部重点研发专项青年项目。为了支撑“海铃探路者”项目的顺利执行,上海交通大学于2021年06月成立了海铃合作组,依托上海交通大学物理学、天文学、海洋工程、海洋科学、材料科学、电气工程、通讯工程等多学科优势交叉合作,同时与北京大学、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科研院校的相关学科紧密合作,至今项目组已发展到10余家合作单位,近百名成员,稳步推进科学、工程、技术等方面的协同攻坚。

责任编辑:范维
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