南海底的”海鈴“，居然是用來(lái)捕捉宇宙幽靈信使的！

數(shù)百年來(lái)，科學(xué)家利用望遠(yuǎn)鏡捕捉宇宙光子來(lái)進(jìn)行天文觀測(cè)。今天，他們有了新的選擇。中微子有著如幽靈般極強(qiáng)的穿透力，可輕松逃逸極端、致密的宇宙和天體環(huán)境而不改變方向，有助于科學(xué)家揭曉劇烈天體過(guò)程背后的機(jī)制，解開(kāi)宇宙之謎。

在10月10日舉行的上海交通大學(xué)南海中微子望遠(yuǎn)鏡“海鈴計(jì)劃”成果新聞發(fā)布會(huì)上，李政道研究所正式發(fā)布“海鈴計(jì)劃”藍(lán)圖。該項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院院士景益鵬擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、李政道學(xué)者徐東蓮擔(dān)任首席科學(xué)家，將探索建設(shè)中國(guó)首個(gè)深海中微子望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)捕捉高能（亞TeV到PeV量級(jí)）天體中微子來(lái)探索極端宇宙。

據(jù)悉，海鈴團(tuán)隊(duì)已完成首次海試任務(wù)，測(cè)量驗(yàn)證了候選海域作為中微子望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址的可行性，完成“海鈴”中微子望遠(yuǎn)鏡的概念設(shè)計(jì)，相關(guān)論文10月9日發(fā)表于《自然?天文》。

什么是中微子？

20世紀(jì)20年代末，科學(xué)家在研究β衰變（即原子核輻射出電子轉(zhuǎn)變成另一種核）時(shí)，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程中有一部分能量不知去向。這使科學(xué)家不勝困惑：在亞原子過(guò)程中，能量守恒定律是否還成立？1930年，當(dāng)時(shí)年僅30歲的匈牙利物理學(xué)家泡利對(duì)能量守恒定律深信不疑，并以非凡的直覺(jué)預(yù)言：在此過(guò)程中，必定還有一種不帶電的、質(zhì)量極小的與物質(zhì)相互作用極弱，以至于無(wú)法探測(cè)到的新粒子放出來(lái)，是它帶走了那一部分能量。他把這種未知的粒子叫做“小中子”，就是現(xiàn)在說(shuō)的“中微子”。

1942年，美國(guó)物理學(xué)家艾倫按照我國(guó)物理學(xué)家王淦昌提出的方法，首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)間接證實(shí)了中微子的存在。

由于中微子與物質(zhì)的相互作用很弱，要直接探測(cè)到中微子是非常困難的，連泡利本人也認(rèn)為中微子也許永遠(yuǎn)測(cè)不到。然而，困難并不能阻礙科學(xué)的進(jìn)展，在泡利提出中微子假說(shuō)的26年之后，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)雷尼斯教授等把400升醋酸鎘水溶液作為靶液，放人新投人使用的核反應(yīng)堆中（作中微子源），每小時(shí)測(cè)得2.8個(gè)中微子，與他的理論預(yù)測(cè)完全一致。雷尼斯也因此榮獲1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

現(xiàn)代宇宙學(xué)研究告訴我們，中微子的種類(lèi)上限為3，即有3種中微子。除了上述發(fā)現(xiàn)的電子型中微子之外，還有μ型中微子（1962年發(fā)現(xiàn)）和τ型中微子（1975年發(fā)現(xiàn)），每一種中微子都有相同的反中微子。

中微子究竟有沒(méi)有質(zhì)量，是該研究領(lǐng)域中最引人注目的課題。20世紀(jì)70年代以前，人們普遍認(rèn)為中微子的質(zhì)量等于零。1980年，蘇聯(lián)理論與實(shí)驗(yàn)物理研究所宣布，經(jīng)過(guò)10年的測(cè)試，得到中微子的質(zhì)量在17～40電子伏之間，轟動(dòng)了全球的物理學(xué)界。此后，世界上許多著名實(shí)驗(yàn)室紛紛采用不同的方法來(lái)測(cè)量和檢驗(yàn)這個(gè)結(jié)果。我國(guó)原子能科學(xué)院的專(zhuān)家也在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)展了這項(xiàng)研究，并取得一定的成果。

2015年10月6日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納，以表彰他們通過(guò)中微子振蕩發(fā)現(xiàn)中微子有質(zhì)量這一研究。

讀者也許要問(wèn)，中微子與物質(zhì)的相互作用十分微弱，又難以捉摸，研究它有何意義呢？

研究中微子有何意義？

當(dāng)然，一個(gè)中微子是無(wú)足輕重的，但是，在我們這個(gè)宇宙中，中微子的數(shù)量極多，它充滿(mǎn)在宇宙的每一個(gè)角落，平均每立方厘米就有300個(gè)左右，與光子差不多，比其他所有的粒子要多數(shù)十億倍呢！所以，中微子整體對(duì)宇宙來(lái)說(shuō)有舉足輕重的作用。

另外，中微子還有一種本領(lǐng)，它能夠在星球的內(nèi)部暢行無(wú)阻，因此它可以把太陽(yáng)、星球的內(nèi)部信息帶給我們。科學(xué)家還遐想利用中微子的這種特點(diǎn)，來(lái)做地球斷層掃描，讓埋在地球深處的奧秘一覽無(wú)遺；還設(shè)想讓中微子穿透地球傳送信息，這樣長(zhǎng)距離通信就可以不要經(jīng)過(guò)衛(wèi)星和地面站兜圈子了。顯然，當(dāng)撲朔迷離的中微子一旦被人們完全認(rèn)識(shí)后，它將會(huì)獲得極其廣泛的應(yīng)用。

以往如何探測(cè)中微子？

中微子的最大特點(diǎn)就是幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng)。我們感覺(jué)不到它的存在，科學(xué)上探測(cè)也極為困難。因此，中微子的發(fā)現(xiàn)和研究過(guò)程，飽含著幾代科研人員的心血。

在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)做出了重要貢獻(xiàn)。2012年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式，成為中微子研究的一個(gè)重要里程碑。2020年12月，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)圓滿(mǎn)完成科學(xué)任務(wù)正式退役，同時(shí)另一“國(guó)之重器”也開(kāi)始構(gòu)建，那就是江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）位于廣東省江門(mén)開(kāi)平市，是由中科院和廣東省共同建設(shè)的大科學(xué)裝置，以測(cè)定中微子質(zhì)量順序、精確測(cè)量中微子混合參數(shù)為主要科學(xué)目標(biāo)，并進(jìn)行其他多項(xiàng)科學(xué)前沿研究。項(xiàng)目預(yù)計(jì)2024年建成運(yùn)行，屆時(shí)將成為國(guó)際中微子研究的中心之一。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)于2015年開(kāi)始建設(shè)，建于廣東江門(mén)開(kāi)平市金雞鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)一帶的打石山。目前已經(jīng)完成了絕大部分的基礎(chǔ)建設(shè)，無(wú)論是地下實(shí)驗(yàn)大廳，還是相關(guān)的水電氣等設(shè)備，都已經(jīng)完成，并安裝到位，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始了探測(cè)器安裝。

探測(cè)中微子，一種辦法是通過(guò)液體閃爍體探測(cè)器來(lái)捕捉它們產(chǎn)生的信號(hào)。

科研人員在有機(jī)玻璃球里注入透明的特制液體——液體閃爍體（簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”），當(dāng)中微子穿過(guò)球體時(shí)，會(huì)有一定的幾率和液體里密布的氫核發(fā)生反應(yīng)。每一次反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)中子，正電子隨即湮滅釋放出一個(gè)快信號(hào)，中子則在反復(fù)碰撞后被其他氫核吸收并釋放出一個(gè)慢信號(hào)。一前一后兩次閃爍，就透露了中微子的行蹤。

“探測(cè)器越大，捕捉到的信號(hào)就越多，數(shù)據(jù)量就越大，就越能看到別人所看不到的。

海鈴計(jì)劃如何“捕捉”中微子？

據(jù)了解，“海鈴計(jì)劃”首批探路者團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)海試，在南海北部發(fā)現(xiàn)一塊水深約3.5公里的深海平原，其海床平整，海底數(shù)百米高度范圍內(nèi)流速平緩，且海水測(cè)量的放射性與普通海水的公開(kāi)數(shù)據(jù)一致。

“海鈴”望遠(yuǎn)鏡將以整個(gè)地球?yàn)槠帘误w，接收從地球?qū)γ娲┩付鴣?lái)的中微子，“因位于赤道附近，‘海鈴’望遠(yuǎn)鏡可通過(guò)地球自轉(zhuǎn)探測(cè)360度全天域中微子，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向中微子的無(wú)死角觀測(cè)，與南極‘冰立方’以及北半球其他中微子望遠(yuǎn)鏡形成互補(bǔ)?！?/p>

探路者團(tuán)隊(duì)還在約3420米水深處對(duì)海水光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示其平均吸收和散射長(zhǎng)度分別為約27米和63米，清澈的海水可更清晰地“錄制”中微子與海水反應(yīng)的蹤跡。

“海鈴”一期項(xiàng)目已于2022年底啟動(dòng)，擬在選定海域建設(shè)10根望遠(yuǎn)鏡串列，并通過(guò)長(zhǎng)距離海纜連接南海某島基地，預(yù)計(jì)于2026年建成世界首個(gè)近赤道的小型中微子望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)展對(duì)銀河系內(nèi)外的天體源搜索，并完成建設(shè)大陣列的全鏈技術(shù)驗(yàn)證；終極目標(biāo)是建立終極大陣列。

“海鈴”探測(cè)器陣列將由1200根垂直線纜組成，每根線纜長(zhǎng)約700米，線纜間距70到100米，像海藻一樣垂直“生長(zhǎng)”在海床上。這些線纜共搭載2.4萬(wàn)個(gè)高分辨率光學(xué)探測(cè)球，整個(gè)陣列直徑約4公里，總占地約12平方公里，可監(jiān)測(cè)高能中微子反應(yīng)的海水體積約7.5立方公里，設(shè)計(jì)壽命為20年。

科學(xué)家預(yù)計(jì)，“海鈴”探測(cè)器陣列建成一年內(nèi)可發(fā)現(xiàn)鯨魚(yú)座中棒旋星系的穩(wěn)定中微子源，并能發(fā)現(xiàn)類(lèi)似于“冰立方”利用十年數(shù)據(jù)才初步觀察到的超大質(zhì)量黑洞的中微子爆發(fā)?！昂ｂ彙蓖h(yuǎn)鏡將于2030年前后成為國(guó)際上最先進(jìn)的中微子望遠(yuǎn)鏡。

來(lái)源：科普中國(guó)綜合科技日?qǐng)?bào)