数百年来，科学家一直通过用望远镜捕捉宇宙光子的方式进行天文观测。现在，因为中微子可轻松逃逸极端、致密的宇宙和天体环境而不改变方向，科学家们可以选择有着幽灵般极强穿透力的中微子来探究宇宙之谜。

据悉，中国正在南海建造一个世界上最大的深海水下望远镜，即南海大型中微子望远镜阵列。该计划被命名为“TRIDENT（海铃计划）”，预计2030年前完工，届时该望远镜能够扫描难以捉摸的“幽灵粒子”在海洋深处短暂发出的罕见闪光。

什么是“幽灵粒子”？

“幽灵粒子”是指中微子，这是一种非常微小的基本粒子，被认为是宇宙中最常见的粒子之一。它的名字来源于它极难被检测到，因为它与物质的相互作用非常微弱，可以自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用。中微子能够穿透整个宇宙而不与任何物质相互作用，这是它的一个最为基本的特性之一，这使得它成为研究宇宙和宇宙黑暗物质的一种有力工具。

中微子是一种不带电的基本粒子，因此它不与电磁场相互作用。它的质量也非常轻，多数中微子的质量比电子还要小几百倍；而且极具穿透力，中微子可以轻易穿透地球、太阳系和整个银河系，其穿透能力几乎不受任何物质的约束。每平方厘米每秒有600亿～1200亿个中微子穿过地球，但其中只有一个可能会与物质发生反应。尽管中微子不带电，但它参与非常微弱的弱相互作用。这个特性使其在物理学和天文学的研究中具有重要地位，因为它可以帮助科学家们更深入地理解物质的本质和宇宙的构造；

此外，尽管中微子的质量非常小，难以精确测量，但是科学家们已经确定中微子具有质量。这个结论是通过观察宇宙中的一些现象得出的，比如太阳发光和物质转化等过程都涉及到中微子的参与。中微子存在三种类型：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。这三种类型的中微子可以在一定的条件下互相转换，这种转换被称为中微子振荡。这种振荡现象是粒子物理学研究的重要课题，对于理解宇宙的基本粒子和宇宙的起源等问题有着重要的意义。

中微子的速度非常接近光速，这使得对它的研究变得非常复杂。在实验室中测量中微子的速度需要特殊的技术和方法，这也是中微子研究的一个难点。由于中微子的穿透能力和无电荷的特性，它被认为是一种潜在的通信工具。理论上，利用中微子进行通信可以克服水下和地下的电磁波通信禁区，实现地球乃至外层空间中任意两点之间的直线通信。然而，目前的技术还无法实现利用中微子进行通信，这需要未来技术的进一步发展。

总的来说，中微子是一种非常神秘的基本粒子，它具有一些独特的特性，使其在物理学、天文学和宇宙学的研究中具有重要地位。同时，中微子的研究也对于我们理解宇宙的本质和构造有着重要的意义。

悬“铃”捕捉幽灵信使

在南海北部的一片深约3.5公里深海平原，将垂悬起一大片“海铃”，它们如同海藻般生长于海底，被海水轻抚，将在寂静海底静听寰宇，为人类解开宇宙未解之谜提供关键线索。

这不是科幻故事，而是已经到来的多信使天文学时代中国科学家引领的可见计划。记者今天从上海交通大学李政道研究所获悉，中国首个深海中微子望远镜“海铃计划”迎来新进展——由上海交大牵头的“海铃探路者”项目团队完成首次海试任务，测量验证了候选海域作为中微子望远镜台址的可行性，完成海铃中微子望远镜的概念设计，相关论文昨天发表于《自然·天文》杂志。

中国科学院院士、海铃计划负责人景益鹏介绍，中微子可以轻松逃逸致密宇宙和天体环境而不改变方向，成为研究极端宇宙的理想信使，是了解宇宙大爆炸、黑洞爆发机制，解答宇宙射线起源等百年谜题的密钥。有关中微子的研究已多次刷新对基本物理规律的认知，四次荣获诺贝尔奖。

目前，国际世界最大、最灵敏的中微子望远镜冰立方（IceCube）于2010年建成，将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中，因发现银河系外高能中微子开启了河外中微子天文学新时代；此外，在地中海和贝加尔湖均有部分深水中微子望远镜阵列正在运行。“当下，世界主要发达国家都在积极筹建性能优化的二代中微子望远镜，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。”海铃计划首席科学家、李政道学者徐东莲说。

“尽管中微子探测很难，但这一新兴学科具有不可估量的科学潜力，过去十年许多国家都在建设中微子望远镜。”景益鹏院士认为，海铃的总体性能高于目前运行和升级中的中微子望远镜，将能探测更多高能天体中微子，确切解答宇宙射线起源之谜；提升约10倍的指向精度，更精确地助力多信使预警；高灵敏度地观测更广阔的天区，发现新的中微子源。

由上海交通大学李政道研究所发起并牵头的“海铃计划”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，将与已布局的多波段望远镜和低能中微子观测站一同促进和完善我国多信使天文观测网。

超大中微子望远镜有望于2030年诞生

“海铃计划”一期项目已于2022年底启动，拟在选定海域建设10根望远镜串列，并通过长距离海缆连接南海某岛基地，预计于2026年建成世界首个近赤道小型中微子望远镜，开展对银河系内外的天体源搜索，并完成建设大阵列的全链技术验证。预期在2030年前后，“海铃计划”将建成国际上最先进的中微子望远镜。“海铃计划”的终极大阵列将包括约1200根望远镜串列，像海藻一样垂直锚定于海床上。

论文中详尽论述了预选台址拥有建设中微子望远镜的良好深海环境，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非常平缓。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。

预选海址处低纬度近赤道地带，随着地球的自转，可360度巡天，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。

徐东莲介绍，预选台址海水的光学属性满足建设大型望远镜阵列的要求。探路者团队通过部署自研的高灵敏感光元件探测球舱，首次实现同时使用两套独立的光学测量系统（光电倍增管系统和相机系统），在预选台址约3420米水深原位测量了海水的光学性质，结果显示其平均吸收和散射长度分别为约27米和63米。相比之下，普通的自来水衰减长度常常只有2-3米。清澈的海水可更清晰地“录制”中微子与海水反应的踪迹，更有利于重建中微子的种类、来源的方向和携带的能量。在候选台址成功布放探测球舱也部分验证了未来海铃望远镜的耐高压玻璃球舱、光电探测器、数据采集系统、数据分析与模拟、深海潜标布放等核心技术。

基于上述结果，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”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，互相间距70-100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。

海铃团队创新提出新型混合探测球舱概念设计，将舱内表面紧密覆盖了多个能探测到单光子的光电倍增管（PMT），形成类似于果蝇的复眼结构，同时巧妙地利用PMT之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增管，进一步优化中微子探测性能，将能实现无死角地观测不同方向的中微子。

“这是一个巨大的深海大型密集潜标阵列，是一个前所未见的深海大工程，因此全球范围内目前还没有成熟的经验。”田新亮介绍，“海铃计划”还将面对如何将密集阵列安全精准地安装到海底、如何应对海底极端灾害环境、如何运行和维护望远镜阵列、如何为深海大阵列供电及数据传输等等具体挑战。