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建设中国首个深海中微子望远镜!上海交大“海铃计划”首航告捷

发布时间:2021/09/18 新闻 浏览:22

9月17日报道:记者今天从上海交通大学获悉,“海铃计划”探路者项目团队日前完成各项预定海试任务并安全抵沪。

 

据悉,“海铃计划”由上海交通大学李政道研究所牵头开展,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。“海铃计划”项目组组长为中国科学院院士景益鹏。

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,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,为“海铃计划”的后续推进奠定了坚实的基础。

 

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。它不带电且与物质相互作用极弱,如幽灵一般,极难被捕捉。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。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。

宇宙中产生中微子的源头有很多,如宇宙大爆炸、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;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,中微子穿透力极强,可轻松逃逸极端、致密的天体环境,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。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。但因为宇宙射线在星际传播受磁场作用发生方向偏转,其源头至今仍是个谜。而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。冰立方(IceCube)于2010年建成,目前是世界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。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。

2018年9月,徐东莲回国加盟李政道研究所,同年11月她的“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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