一千两百株“海藻”于深海探测中微子

发布时间:2024-04-14 00:27:53 来源: sp20240414

  上海交通大学(以下简称“上海交大”)李政道研究所“海铃团队”完成了中国首个深海中微子望远镜的概念设计,前不久相关论文发表于《自然·天文》杂志。李政道学者徐东莲是该论文的通讯作者,共同第一作者为上海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。

  这篇论文揭示了中微子望远镜“海铃计划”的建设蓝图。这台望远镜预选台址位于南海北部的一个深约3.5公里的深海平原,海床平整,海底数百米高度范围内流速平缓。深海海水测量的放射性与普通海水的公开数据一致。中微子望远镜利用整个地球作为屏蔽体,接收从地球对面穿透而来的中微子。

  由于位于赤道附近,“海铃”可以通过地球的自转探测360度全天域的中微子,与南极冰立方以及北半球的其他中微子望远镜形成了互补。

  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”(英文简称TRIDENT)的概念设计。探测器阵列由1200根垂直线缆组成,每根线缆长约700米,间距70米-100米,像海藻一样垂直锚定于海床上,并搭载约20个高分辨率光学探测球舱。“海铃”阵列直径约4公里,总占地面积约为12平方公里,可监测高能中微子反应的海水体积约7.5立方公里,设计寿命为20年。

  “海铃计划”由上海交大李政道研究所牵头发起,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,徐东莲担任首席科学家。项目通过捕捉高能天体中微子探索极端宇宙,为我国填补该领域的空白。

  中微子是宇宙中数量最多的次原子粒子之一(注:光子最丰富,中微子次之),每秒钟就有数百万亿个太阳中微子穿透我们的身体。中微子不带电,主要通过弱相互作用与物质反应,犹如幽灵一般在宇宙中穿行,极难被捕获。目前已知的中微子有3种类型,电子中微子、缪子中微子和陶子中微子,它们在时空传播过程中由于量子效应可相互转换,这就是著名的中微子振荡现象。

  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。科学家们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4次获得诺贝尔奖。但中微子仍有许多未解之谜,如中微子的绝对质量为多少、它们是否为自身的反粒子等。对中微子更深入的探究,或再次颠覆人们对基本物理规律的认知。

  据悉,目前世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。该望远镜于2010年建成,2013年便首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流;2017年首次发现对应已知的天体源证据,叩开了高能中微子天文学的大门。

  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。

  2020年8月15日,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,其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。

  上海交大于2021年6月成立了“海铃合作组”,依托上海交大物理学、天文学、海洋工程、海洋科学、材料科学、电气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合作,至今项目组已发展到10余家合作单位,近百名成员,推进科学、工程、技术等方面的协同攻坚。

  中青报·中青网记者 王烨捷 来源:中国青年报 【编辑:付子豪】