我国又一大型科学装置的建设正在紧锣密鼓地进行。中国科学家欲在深海3500米深处建造一台领先的中微子“望远镜”。这就是上海交通大学科研团队牵头的“海钟计划”。
探测器部署装置海试已完成
施工将于明年初开始
近期，“海钟计划”取得重大进展。海底“望远镜”的主要装置——柔性光电探测器提交的目标特种车已顺利完成海试。经过本轮验证，首批“海陵工程”探测潜水器预计明年进入建造。本期《科技推进》央视记者张春玲独家专访“海钟计划”项目组，了解这台深海“望远镜”如何捕获中微子在我们周围无处不在且很难找到。
“海钟计划”：在深海下建造中微子“望远镜”
将在南海水下3500米深处建造的世界领先的中微子“望远镜”，有一个不均匀的名字，叫做“海钟计划”。它就像隐藏在深海中的神奇“耳朵”，“聆听”宇宙中最神秘的幽灵粒子中微子发出的微弱信号，了解来自宇宙最深处的秘密。
“幽灵粒子”：承载宇宙奥秘的中微子
你可能对中微子不太熟悉，毕竟中微子是看不见的，很难被探测到，但现在，数百亿个中微子正以接近光速的速度穿过你、我和你周围的一切——而你却不知道。中微子是随机的，几乎没有质量，很容易穿透地球，就像“穿墙的幽灵”，所以也被称为“幽灵粒子”。但就像引力波一样，s是极少数能够从黑洞深处逃逸的“信号”之一。它掌握着有关宇宙起源、能量甚至时间的秘密。这是我们认识宇宙、追寻宇宙诞生和演化之谜的关键线索。
科学家希望用更强大的“望远镜”捕捉更多中微子
目前广泛使用的捕获中微子的方法是观察与其他粒子碰撞的影响。当中微子撞击水或冰中的原子核或电子时，它们会激发蓝色闪光并被探测器捕获。
世界各地的科学家花了几十年的时间只捕获了几百个高能中微子，这使得研究其基本规律变得困难。因此，中国科学家决定建造一台更强大的望远镜，帮助人们获取这些幽灵信号，深入探索极端宇宙的奥秘。
徐冬莲，上海交通大学李政道研究院永久学者，博士生导师“海岭计划”首席科学家：探索中微子望远镜的最初想法可以追溯到1960年。世界上有以美国为首的建在南极冰川上的冰块、俄罗斯建在贝加尔湖上的望远镜、建在地中海上的KM3net望远镜。南极冰立方于2010年建成，经过两年的运行，很快就发现了来自银河系外的弥漫性中微子流，距离地球很远。为了确定这些中微子的来源，需要下一代中微子观测站。望远镜。
中微子探测体积从1立方公里扩大到10立方公里
刚才提到的一些全球大型中微子望远镜的探测体积也在1立方公里左右。然而，由于对检测精度的要求越来越高，这个数量已经不够了。我们需要一个更大、更灵敏的“镜头”。这正是““海钟计划”，即将中微子探测体积扩大到10立方公里。
海底深度探索舱
从海底去除中微子
那么如何探测弱“幽灵粒子”中微子呢？这就需要使用一些精密的检测设备。接下来，我们将和记者一起去实验室，看看精密的探测中微子的“眼睛”如何探测深海中的中微子。
这个透明的球体就是“海钟计划”中的“钟”——光学探测的深层胶囊。它看起来像一个漂亮的大灯泡，但实际上是一个非常复杂的光电倍增装置。
“海陵计划”首席科学家、上海交通大学李政道研究院永久学者徐冬炼：主要用于探测单光子。它后端有多级放大，所以当单个光子撞击时，经过后面几千万倍的放大后，我们可以读取比较大的信号，实现e 单光子的检测。
未来将安装数千个潜水浮标和2万多个发现舱
这就是未来“海钟计划”建成后的样子。看起来像是一整套“风铃阵”漂浮在海底？
看这里点缀的这些点，都是深海光学探测球形舱。这些发现的球形舱以 20 个为一组排列，并正确悬挂在两条 700 米长的电缆上。
电缆一端固定在海底，另一端用块块拉起，使其能垂直立在水中，形成潜水浮标。
整个“海钟计划”将部署数千个可部署浮标，这意味着需要超过20,000个探测吊舱。那么它们是如何“听到”来自宇宙深处的信号的呢？
上海交通大学李政道研究所博士生黄景涛：中微子之所以被称为“幽灵”它们具有这样的特性，在物理学中它们被称为“不带电且几乎无质量”。通俗地说，这意味着它对物体做出反应的概率很低。
被检测胶囊捕获
中微子的物理特性决定了我们很难通过常规手段“捕获”它们，除非偶尔以极小的概率与水中的原子核或电子发生碰撞。这种碰撞对于极高能量的中微子来说并不痛苦，但撞击的一方会接收到中微子转移的部分能量，并喷射出大量的次级粒子。这些次级粒子不具有中微子的“惯性”。它们移动速度很快，甚至比光在同一介质中传播的速度还要快。因此，就会出现类似“光爆炸”的现象，这就是著名的切伦科夫光。
在水中，切伦科夫光是微弱的蓝色闪光，中微子探测器将捕捉到这种光蓝光时刻来追踪中微子穿过海水时留下的中微子。痕迹和方向。
上海交通大学李正道研究所博士生 黄景涛：这个粒子经过之后，在空间留下了一个非常明显的轨迹，这就是接收到的光的轨迹。然后我再从这个方向做一个反向延伸，我就会知道这个物体是哪片天空，它来自天空的哪个地方，我就实现了望远镜的操作。
海试成功
精准完成检测潜在目标部署
据介绍，提交给“海钟计划”的每个700米长的探测浮标将串接20个探测球形舱。整个项目计划放置约1000个探测浮标。这个大型项目需要一个安全、高效的部署设备。研究团队从蜘蛛丝纺丝的连续性和控制性中获得灵感，开发了sp伊德系统。随着不久前完成的海试，蜘蛛系统已经完成了潜水目标的精确部署。我们继续到实验现场去看看吧。
在上海交通大学的泳池拖船模型中，已经成功完成海试的蜘蛛系统静静地停泊在这里。
这种类似线轴的装置就是“蜘蛛系统”。周围包裹着一个充满探测球的潜水浮标。它解决的问题是在南海3500米深处放置数千个潜水浮标。每一根长700多米，间隔约100米。它们应该排列得像“海底森林”一样茂密有序，互相不接触、不干扰。完成“海钟计划”的扩建是一项浩大而精准的工程。现在，团队要做的就是让第一个潜水标记在海底好好扎根。
田新亮 学院教授上海交通大学造船海洋与建筑工程学院“海钟计划”副总工程师：我们也受到这种线轴、水车或磁带的启发。磁带托盘可以容纳数百米的磁带。胶带是一个适应性很强的机构，就像一根圆杆一样，它可以稳定地工作。
现在这个部署装置看上去是一个整体，但实际上它是由上下两部分组成的。下面一块是潜水目标的基础，上面的大“卷轴”圆圈是负责部署的运载装置。在下水之前，这两个部分用一根能承受十吨拉力的特殊电缆绑在一起。潜入海底后，水下机械臂张开绳索，“蜘蛛系统”立即一分为二。底座带动潜水器的一端在海底保持稳定，而涡旋的上部则受到浮力块的拉动顶部并继续图马斯。在浮力和绳索拉力的共同作用下，探测球将一一顺着主缆送下，直至700米长的潜水标志完全展开。
一旦展开完成，卷轴就会自动漂浮到海面，就像深海版的“火箭发射”。卫星留在轨道，火箭自行返回，实现了效率与成本的平衡。研究团队经历了8次重大设计迭代和无数次不成功的尝试，最终实现了发现提交浮标的成功扩展，让“海钟计划”从设计图纸上的概念走向了可以在深海实施的现实项目。
上海交通大学李宗道研究院常任学者、“海钟计划”首席科学家徐冬莲：该项目于2018年启动研发并选址于2021年进行，预计2026年建成10阵阵，完成了我国水中深中微子望远镜整个建设的全面技术验证。
01
有很多自主创新
建造强大的中微子探测装置
一个科学项目从概念到原理再到测试和最终完成往往需要十几年的时间。在研发过程中，海铃团队攻克了很多难题，开创了很多先例。中微子望远镜探索的过程中也积累了多项技术创新。
除了“蜘蛛”部署系统外，奥夫“海豹”在探测球形舱方面也做出了多次世界首创的尝试。例如，它首次将传统光电倍增管和硅基光电探测器结合起来，使得对探测信号的响应更快、方向判断更准确。它还采用了类似的设计ar对于昆虫的复眼来说，几乎整个球面都是感光的，更适合在复杂多变的海洋环境中捕获各个方向的微弱信号。同时，团队还首创了实时光学校准系统，可以根据海水透明度和洋流的变化自动校准，让整个望远镜始终保持“清晰焦点”。这些创新不仅解决了深海环境下探测不稳定、信号容易失真的问题，也让“海钟”成为国际中微子研究领域最受关注的项目之一。
上海交通大学李政道研究院永久学者“海陵工程”首席科学家徐东炼：由于地处赤道上，处于低纬度热带站，随着地球自转，望远镜观测到的天空敏感区会熄灭整个天空。因此，它将与南极洲的冰块形成很大的互补关系。当我们建立起可以与Icecube竞争的更大规模时，我们将进入一种巨大的竞争性科学关系，争夺下一轮中微子天文学的重大突破。
如今，“海铃工程”继续推进。科学家计划明年初投入建设后，在未来几年内完成基础技术的验证，然后启动更大规模的部署。可以说，正在从蓝图走向真正的深海一步。为了更好地了解来自宇宙深处的中微子带来的秘密。
（央视记者 张春玲）