寻找“宇宙幽灵信使”,我国首个深海中微子望远镜阵列将在南海建设
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10 月 22 日消息,目前,我國在多波段望遠鏡、空間引力波和低能中微子觀測站(JUNO)均已有布局,接下來還將打造我國首個深海中微子望遠鏡,完成深空、深地到深海的布局。
上海交通大學李政道研究所上周正式發布了“海鈴計劃”(TRopIcal DEep-sea Neutrino Telescope,TRIDENT)藍圖。
該項目將在南海 3500 米以下建設我國首個深海中微子望遠鏡,通過捕捉高能(亞 TeV 到 PeV 量級)天體中微子來探索極端宇宙。該項目由中國科學院院士景益鵬擔任負責人、李政道學者徐東蓮擔任首席科學家。
中微子又被稱為幽靈粒子或者幽靈信使,這是一種不存在電荷且質量幾乎為零的粒子,這意味著它們幾乎不與其他類型的物質產生相互作用。
它們可以說無處不在,它們是宇宙中豐富度僅次于光子的亞原子粒子。查詢發現,實際上每秒都會有數百萬億個太陽中微子穿透我們的身體,但它們極難被發現且極難被捕獲。
中微子于 1930 年首次被理論預言,但直到 1956 年才被實驗觀測到。目前已知的中微子有三種類型,電子中微子、繆子中微子和陶子中微子,它們在時空傳播過程中由于量子效應可相互轉換,這就是著名的中微子振蕩現象??茖W家對中微子性質的研究已多次刷新我們對基本物理規律的認知,并四獲諾貝爾獎。
值得一提的是,中微子天文學正處于重大突破的門檻上。這也正是我國在中微子天文學這一新興領域迎頭趕上甚至超越國際前沿的科學時機。
目前世界最大、最靈敏的中微子望遠鏡冰立方(IceCube)建在 2500 米深的南極冰層中。2010 年剛剛建成,就于 2013 年首次探測到一個來自地外的彌散高能中微子流;2017 年首次發現對應已知的天體源證據,叩開了高能中微子天文學的大門。2015 年,LIGO 實驗首次通過引力波“聽”到了兩個黑洞合并的壯觀場景。這兩大發現標志著結合光子、引力波和中微子攜帶信息揭開宇宙奧秘的新時代的來臨:多信使天文學時代。
據官方介紹,該項目于 2020 年 8 月正式提出,其后在僅一年的有限時間內研制出了適用于 4000 米深海環境、攜帶高靈敏感光元件的探測球艙和相應的深海布放系統。
“海鈴”一期項目已于 2022 年底啟動,擬在選定海域建設 10 根望遠鏡串列,并通過長距離海纜連接南海某島基地,預計于 2026 年建成世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡,2030 年前后“海鈴”望遠鏡有望成為國際上最先進的中微子望遠鏡。
值得一提的是,海鈴團隊已完成首次海試任務,測量驗證了南海一處候選海域作為中微子望遠鏡臺址的可行性,完成“海鈴”中微子望遠鏡的概念設計,相關論文已發表在《自然?天文》上。
他們創新提出了新型混合探測球艙概念設計,將艙內表面緊密覆蓋上多個能探測到單光子的光電倍增管(PMT),以此形成類似于果蠅的復眼結構,同時巧妙地利用 PMT 之間的空隙安裝超快時間響應的硅光電倍增管,以便能實現無死角地觀測不同方向的中微子。
徐東蓮介紹稱,“海鈴”望遠鏡將以整個地球為屏蔽體,接收從地球對面穿透而來的中微子,“因位于赤道附近,‘海鈴’望遠鏡可通過地球自轉探測 360 度全天域中微子,實現對不同方向中微子的無死角觀測,與南極‘冰立方’以及北半球其他中微子望遠鏡形成互補?!?/p>
按照規劃,海鈴中微子望遠鏡陣列將在 2026 年成為世界首個近赤道的小型中微子望遠鏡,開展對銀河系內外的天體源搜索,并完成建設大陣列的全鏈技術驗證;海鈴終極大陣列將包括約 1200 根望遠鏡串列,直徑約 4 公里,總占地面積約為 12 平方公里,超越升級后的冰立方,預期在 2030 年前后成為國際上最先進的中微子望遠鏡。
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總結
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