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南海海底将建中微子望远镜

来源:人民日报2024-07-04 08:11

  在幽暗的中国南海海底3500米处,1000多根千米高的线缆,两两相隔约百米,竖排成覆盖约8立方千米海域的巨型矩阵。不计其数的中微子如幽灵般光速穿过矩阵,“点亮”了线缆上串着的一盏盏篮球大小的玻璃球“圆灯”,捕捉着中微子带来的宇宙信号。

  这样科幻故事般的场面,描绘的正是南海中微子望远镜计划,由上海交通大学李政道研究所牵头的大科学装置。

  “每个玻璃球‘圆灯’里,放置着多个光电探测器件,每根线缆会串起20多个玻璃球舱,连珠成线,像不像一串串感应宇宙声响的风铃?我们形象地称为‘海铃计划’。”在李政道研究所实验室,青年学者梅华林向记者详解这一科学计划。利用中微子与水分子原子核发生反应会发出光的特性,玻璃球探测到的光信号会被转化为电信号,传输到陆地上的实验室。进而开展探索极端宇宙,揭秘宇宙射线起源,寻找新物理规律等前沿研究。

  与光学、射电望远镜利用电磁波来观测宇宙不同,“海铃计划”的主角是号称宇宙“隐身人”、“幽灵粒子”的中微子,这一在宇宙大爆炸后不久便出现的粒子,观测它们可以了解宇宙的早期历史;中微子还会在超新星爆发、黑洞并合等剧烈天体现象中产生,利用中微子望远镜可以研究这些极端的天体现象。2018年,科学家首次发现来自于40亿光年以外的猎户座“耀变体”中微子,证明了其中心有超级黑洞的活动星系核,可加速宇宙射线至几万万亿电子伏特,比目前人类最强大的加速器高几千倍。这一发现,入选《科学》杂志2018年国际最重大科学突破之一。

  因为中微子不易捕捉的特性,探测装置的选址至关重要。梅华林介绍,对宇宙中高能中微子的探测通常选择在足够深、足够暗、足够干净的环境里,比如南极的厚冰层、几百米的深井、几千米的深海,而且探测器往往都是体型巨大的科学装置,才能在有限的时间里尽可能多地探测到少之又少的中微子反应。

  “海铃计划”选址南海,既利用了透明的海水对光的散射、吸收更少的特性,也是因为这里离赤道较近,当利用整个地球作为屏蔽体观测宇宙时,探测器随地球自转扫过的天区更广。不过,海底洋流会影响探测装置的运行,“海铃探路者”团队需要选择洋流速度小、适合探测器运行的位置。

  为找到适宜布放实验装置的海域,2021年9月,由80多位科研人员和工程技术人员组成的“海铃探路者”海试团队,带着他们自研的数套实验装置,首次赴南海科考。

  当时,科研团队意外遭遇两个台风的夹击,在评估了潜在风险以及完成实验的可能性之后,最终决定与台风抢时间。在晃动不止的船体上,科研人员赶在风力到达顶峰前,采集到了珍贵的深海数据,实现最后一次探测器的布放和数据采集。

  梅华林介绍,“海铃计划”一期将于2026年在选定海域布放10根串列,探测器的原型样机也在加紧研发中。未来,“海铃计划”将建成能够全天候、全时段连续工作20—30年的海底中微子望远镜,通过发现高能天体中微子源,解答宇宙射线起源的世纪之谜。同时,结合其他观测手段,理解极端天体现象的深层物理规律,推动我国深海精密仪器及探测技术的发展并发起国际大科学计划,凝聚优秀科技人才,拓宽人类认知边界。黄晓慧

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