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10月6日,2026年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),表彰其“对冰立方中微子天文台(IceCube)的决定性贡献,以及发现来自天体物理源的高能中微子”。值得关注的是,诺奖报告在展望下一代中微子望远镜时,特别提到了由上海交通大学李政道研究所牵头的“海铃计划”(TRIDENT)。

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诺奖背后,中国正在推进的下一代中微子观测布局开始进入更多人视野。李政道研究所长聘学者、物理与天文学院副教授、海铃计划首席科学家徐东莲曾在IceCube学习工作十年,并参与高能天体中微子的发现。10月11日,她从自身亲历出发,解读此次诺奖背后的中微子天文学,并带来“海铃计划”的最新进展。

“幽灵粒子”,

为何如此重要?

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要理解此次诺奖成果以及“海铃计划”的价值,先要认识中微子。

中微子是构成物质世界的基本粒子之一,也是宇宙中仅次于光子的第二丰富粒子,却几乎不与物质发生相互作用。徐东莲在报告中打了个形象的比方:“太阳中微子每秒钟有650亿个穿过你的指甲盖,穿过你跟无人之境一样。”也正因如此,中微子常被称作“幽灵粒子”。

“难捕捉”,是它最特别的地方。光可能被物质遮挡,高能带电粒子在传播中还会受到磁场偏转,而中微子能够从黑洞附近、活跃星系核等极端致密环境中“逃”出来,并几乎沿原来的方向穿越漫长宇宙空间。它因此能够携带源头信息,成为人类探测极端宇宙的一种独特“信使”。

在天文学界,宇宙射线从哪里来,一直是延续百余年的未解之谜,传统观测手段难以追溯到真正源头。“天体中微子为人类观测极端宇宙打开了一扇新的窗口,高能中微子有望‘一锤定音’解答宇宙射线起源之谜。”徐东莲说。

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中微子研究的重要性,从诺奖史也可见一斑。自1930年中微子概念被提出以来,相关研究已五次斩获诺贝尔物理学奖。从最初发现中微子存在,到证实中微子振荡、确认中微子有质量,再到如今高能中微子天文学的开创,人类对这一 “幽灵粒子” 的探索从未停歇。今年的诺奖,则进一步确认了高能中微子天文学这一全新观测窗口的科学价值。

一立方公里南极冰,

如何变成“望远镜”?

一个几乎不与物质反应的粒子,科学家怎么“看见”它?

秘诀藏在一束极其微弱的蓝光里。徐东莲介绍,极少数中微子撞上冰或水中的原子核后,会产生高速带电粒子并激发切伦科夫光。科学家布下大量光学传感器,通过记录光到达的时间和数量,反推出中微子的方向、能量和种类。

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1960年,科学家提出在深海或深冰中布设探测阵列;1976年,夏威夷进行了早期深海尝试;1988年,此次诺奖得主哈尔岑把目光投向南极,将看似大胆的设想逐步变为现实:约一立方公里的天然南极冰体,被打造为巨型粒子探测器IceCube。

2013年,IceCube首次发现来自地外的高能中微子。在徐东莲看来,这正是IceCube最具突破性的地方。“此前太阳中微子、超新星中微子研究也曾获得诺奖,但只有当探测器能够捕捉系外高能中微子、确认一批高能天体中微子源,才真正称得上是一台中微子望远镜。”徐东莲说。

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作为IceCube项目的参与者,徐东莲自2008年起在项目组完成了研究生和博士后训练,并参与高能天体中微子发现的全过程。2018年回到上海后,她开始把这扇窗口从南极继续推向南海,发起了中国下一代深海中微子望远镜——“海铃计划”。

“海铃计划”由上海交通大学李政道研究所牵头,徐东莲担任首席科学家,计划在南海约3500米深处建设中国首个深海中微子望远镜。未来,上千根探测串列、约两万个光电探测球舱将在深海中展开,形成一片巨大的“风铃阵”,监测约10立方公里海水,捕捉来自极端宇宙的高能中微子。

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从南极到南海,

中国“海铃”接棒下一代中微子观测

IceCube已经打开了一扇观测宇宙的新窗口,为什么还需要下一代中微子望远镜?

“要分辨遥远的源,角度分辨率需要好于0.1度。”徐东莲说。目前,人类捕捉到的天体中微子仍十分有限,大量事件还没有找到明确的对应天体。下一步,不仅要“看见”,更要看得更多、更准。

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这正是“海铃”瞄准的方向。计划选址南海,近赤道海域,提供了不同于南极的条件,可借助地球自转实现大范围巡天,与南极等全球中微子望远镜形成互补。此外,相比南极冰体,深海水中的光散射更弱。徐东莲形象地比喻,中微子所产生的信号在冰里像“棉花糖”,在海水中则更像轮廓清楚的“坚果”。

按照设计,海铃探测体量约10立方公里,目标灵敏度达到IceCube的约10倍。徐东莲介绍,它还将提升对不同“味”中微子的分辨能力,有望实现更精密的高能中微子观测,成为世界最灵敏的天体τ中微子探测器,为寻找中微子衰变等新物理现象提供新的观测手段。

如今,这张蓝图正一步步沉入深海。从单光子深海测光仪、混合型光电探测球舱(hDOM),到自主研制的深海精密仪器柔性布放系统“蜘蛛系统”(SPIDER),一批核心技术已完成实海验证。

就在刚刚过去的国庆中秋假期,海铃首根望远镜串列样机完成深海布放,并已接入南海海底科学观测网,原位观测到单光子和大气缪子信号,打通了关键技术链路。据悉,目前由10根望远镜串列组成的“海铃一期”正在推进,预计2027年建成。

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从南极冰层到南海3500米深处,一场跨越半个地球的“幽灵粒子”追踪仍在继续。未来,“海铃”还将与光学、伽马射线、引力波等观测手段一道,织入全球多信使观测网络,继续追问那个最根本的问题:宇宙中最极端的能量,究竟从哪里来?

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