上海交大领衔“海铃计划”深海望远镜探测来自宇宙深处的信号,南海4*4公里观测阵列走出第一步

2021-10-21 03:31:33

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宇宙的起源,宇宙中更遥远的天体发生着什么样的变化,这些信息也许储存在构成宇宙的基本单元之一中微子里。上海交通大学牵头的海铃计划正是通过对中微子的研究来研究高能物理世界的重大项目,也是首个中国主导的深海中微子望远镜,2030年左右建成后参与国际合作。

上海交通大学牵头的海铃计划正是通过对中微子的研究来研究高能物理世界的重大项目,希望能在2030年左右建成首个中国主导的深海中微子望远镜。建成后将构成约4*4公里的观测格点阵列,监测水体超过100万个北京水立方,1000个西湖。这一深海望远镜项目在南海随着地球自转可以监测到更广阔的天区,为多信使的天文学研究增加新的支持。在中微子研究进展之后,还能进一步对地球内部进行断层扫描,了解地球内部的奥秘。

日前,这一计划取得重要进展,海铃计划探路者项目团队已经完成各项预定海试任务并安全抵沪。

本航次由上海交通大学李政道学者徐东莲担任首席科学家,海洋工程学者田新亮担任领队,这个平均年龄只有25岁的团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等机构的三十余位科研人员与技术人员共同参与。本次科考为海铃计划的后续推进奠定了坚实的基础。

海铃计划旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜,通过捕捉高能天体中微子来探索极端宇宙,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,具备孕育多项原创科学发现的重大潜力,并且在深海、深空、深地、深蓝等领域积极抢占科技制高点的号召。

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极小粒子包含极大奥秘,中微子天文学方兴未艾。中微子是构成宇宙的基本单元之一,也是宇宙中数量最多的粒子,几乎每时每刻都在产生。它不带电且与物质相互作用极弱,如幽灵一般,极难被捕捉,但是它穿透力极强,可轻松逃逸极端、致密的天体环境。

宇宙大爆炸、超新星爆发、双中子星并合、黑洞爆发等极端的天体物理过程中都会产生中微子;如果暗物质是基本粒子,也可能通过相互湮灭或自发衰变产生中微子。由于其幽灵般的特性,中微子携带着其中剧烈的物理过程信息,是研究极端宇宙的理想信使。

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早在1912年,物理学家就发现地球大气持续地经受太空高能离子(又名宇宙射线)的轰击,并催生大量能到达地面的次级辐射,或与地球的生命起源演化息息相关。

但是由于宇宙射线在星际传播过程中,受磁场作用发生方向偏转,其源头至今是谜。由宇宙射线反应而产生的中微子一旦被探测到,就能追根溯源,因此可通过探测高能天体中微子源来一锤定音地解答宇宙射线起源的百年谜题。

中微子在1930年首次被理论预言,但直到1956年才被实验观测到。科学家对其性质的研究已多次刷新我们对基本物理规律的认知,并因此四次获得诺贝尔奖。

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目前已知存在的中微子有三种类型,电子中微子,缪中微子和陶中微子;由于量子效应,它们在时空传播过程中可相互转换,类似于川剧的变脸表演,在时空转变的刹那就能换了模样,这就是著名的中微子振荡现象。

通过建造不同的探测器来研究中微子的振荡行为,人类得以部分窥见宇宙物质形成的基本规律,但中微子本身仍有许多未解之谜,如中微子的绝对质量为几何,它们是否为自身的反粒子等。对中微子更深入的探究,或再次颠覆我们对基本物理规律的认知。

中微子天文学的思想起源于1960年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建议;目前在地中海的Antares/KM3NeT和在贝加尔湖的Baikal-GVD项目均在策划中,但在海水中建设中微子望远镜难度较高,目前国际上最知名的中微子望远镜冰立方(IceCube)就选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。

长宽高各一公里的冰立方(IceCube)于2010年建成,是目前全球最大的中微子探测器。2013年,冰立方首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流,叩开了高能中微子天文学的大门;然而,这个中微子流既没有集聚迹象,也没明确地指回任何已知的天体源,这说明地球附近的宇宙中并不存在强烈辐射高能中微子的天体源。

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至今,冰立方已经观测到100次中微子的现象,但是数量仍然不足以解释宇宙天体演变的规律。而且,设在南极的冰立方监控的是来自北天区穿透地球的中微子,因此观测的范围有限。

若要有效地寻找高能中微子的天体源,仍需提升下一代中微子望远镜的探测灵敏度。当下,欧美都在积极地筹建性能大大优化的二代中微子望远镜,预期在2030年前后建成;届时中微子天文学领域或实现重大突破。

海铃计划由上海交通大学李政道研究所牵头开展,项目组组长为中国科学院院士景益鹏,首席科学家为李政道学者徐东莲,并邀请在科学与工程各领域中具有丰富经验的两院院士与顶尖科学家担任项目顾问。海铃计划中集合了上海交通大学物理、天文、海洋工程、海洋科学、材料、电子信息等学科的前沿研究优势和雄厚的工程能力。

徐东莲曾在冰立方合作组中学习、工作多年,是近年来活跃在中微子天文学领域的青年学者。通过在国际大合作组的日积月累,她逐步萌发了一个梦想——由中国主导在南海海域建设中微子望远镜。2018年9月,徐东莲回国加盟李政道研究所,同年11月她中微子天文学的研究项目获得了海外高层次青年人才专项支持,主要开展中微子望远镜的选址和探测器原型样机研发,她在国际合作组时的梦想逐渐被描绘成一张令人振奋的蓝图,也吸引了来自上海交大和其他高校与科研机构的一大批志同道合的科学家和工程技术专家。

2020年8月徐东莲代表海铃计划团队,在全国高能物理发展战略研讨会(青岛)上做大会邀请报告,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。

自2018年11月以来,经过缜密论证及相关仪器、装备的研制,作为海铃计划前期预研论证项目,海铃探路者海试团队于近日成功在预定海域布放数套自研的实验仪器,不仅原位采集到3500米海深的超过1TB的珍贵数据,还针对全水深海水相关性质进行扫描、检测。经初步分析,验证了预选海域作为中微子望远镜候选台址的可行性。

此外,团队还成功布放了一套可长期监测海底流场、生物活动、沉积物及检验望远镜元器件的潜标,为后续望远镜阵列的设计和长期运维提供依据。

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