中国正加紧在南海建造巨型实验室，寻找“宇宙幽灵粒子”

排行榜 2025年10月17日 11:35 4 cc

上海交通大学李政道研究所团队近日在南海约1700米深处成功测试了一套名为"Spider"（海底精密仪器弹性释放部署器）的深海部署装置。这套设备能够将20个传感器球舱精确地沿700米长的探测串布置在预定位置，每个球舱的角度误差控制在毫米级别。这一技术突破标志着中国南海大型中微子望远镜阵列"海铃计划"取得了关键进展，也为人类探索宇宙最深层奥秘提供了全新工具。

中微子被科学界称为"幽灵粒子"，因为这种几乎不与物质发生相互作用的基本粒子每秒钟有数十亿穿过人体，却不留下任何痕迹。它们诞生于恒星核反应、超新星爆发、黑洞吞噬等宇宙中最剧烈的物理过程，携带着解开宇宙射线起源、暗物质性质和基本粒子物理学之谜的关键信息。然而，正是因为中微子与物质相互作用的概率极低，探测它们需要建造体积庞大的装置，并将其置于能够屏蔽宇宙射线干扰的深海或极地冰层中。

从南极冰原到南海深处的技术跨越

全球中微子天文学的发展始于对极端环境的征服。位于南极的IceCube中微子天文台自2011年投入运行以来，利用1立方公里的南极冰层作为探测介质，在冰下1450米至2450米深度部署了5160个光学传感器。当高能中微子与冰中的原子核发生碰撞时，产生的带电粒子会以超光速在冰中移动，发出微弱的切伦科夫辐射蓝光，被这些传感器捕获。IceCube的成功开启了中微子天文学的新时代，首次探测到来自遥远星系的高能宇宙中微子，为寻找宇宙射线源头提供了直接证据。

然而，南极冰层并非唯一适合建造中微子望远镜的环境。深海同样具有巨大的优势——海水密度更高，切伦科夫光的传播特性更有利于探测，且在赤道附近建造探测器能够提供对南半球天空的独特观测视角，这是北半球和南极探测器无法覆盖的区域。欧洲的KM3NeT项目在地中海海底建造了两座中微子探测器ARCA和ORCA，已经在2024年探测到有记录以来能量最高的宇宙中微子事件。

中国的"海铃计划"（TRIDENT，全称Tropical Deep-sea Neutrino Telescope）选址南海，正是看中了这一地理优势。作为全球距离赤道最近的大型中微子望远镜阵列，海铃计划将在海南岛附近3500米深的海底部署探测阵列，利用整个地球作为天然屏障，筛选出穿越地球而来的中微子信号。这一位置使其能够观测到从南半球天空穿越地球抵达的中微子，形成与IceCube和KM3NeT互补的全球观测网络。

最大的技术挑战在于如何在深海环境中精确部署探测器阵列。深海中存在强大的水压、洋流和腐蚀性盐水环境，任何机械结构都面临极端考验。传统的海底设备部署方式无法满足中微子探测对位置精度的严格要求——每个传感器球舱不仅要保持固定深度，还必须维持精确的空间角度，才能准确重建中微子事件的方向和能量。

仿生工程学的智慧结晶

上海交大团队研发的Spider系统从自然界获得了灵感。正如蜘蛛能够精确控制蛛丝的释放速度和张力，织出几何结构完美的蛛网，Spider装置采用了弹性释放机制，能够在下沉过程中控制探测串的展开速度和张力分布。这套系统集成了多项创新技术：精密的深度传感器实时监测每个球舱的位置，液压驱动的释放机构根据预设程序逐一释放传感器，而特殊设计的弹性缆绳则能够吸收洋流冲击，保持整个探测串的稳定性。

在最近的海试中，Spider成功将20个传感器球舱沿700米长的探测串部署到预定位置，每个球舱的角度控制精度达到了设计要求。这些球舱内装载有高灵敏度的光电倍增管，能够探测到中微子相互作用产生的极其微弱的切伦科夫光信号。研究团队表示，这一技术已经为大规模部署做好了准备，未来的阵列可以通过增加探测串的数量和长度，将探测体积扩展到数立方公里。

Spider的成功不仅解决了中微子探测的技术难题，也为深海科学观测提供了通用平台。同样的部署系统可以应用于海洋环境监测、深海地震观测、海底资源勘探等多个领域。中国在深海工程技术方面的积累，包括蛟龙号载人潜水器、深海空间站等项目的经验，为Spider的研发提供了坚实基础。

值得注意的是，海铃计划采取了与国际项目不同的技术路线。IceCube使用热水钻在冰层中开孔，然后将传感器串放入；KM3NeT则依靠遥控潜水器逐个放置探测单元。Spider的弹性释放机制提供了更加灵活和经济的方案，特别适合在复杂的深海环境中大规模部署。这一创新有望降低建设成本，加快部署进度。

揭开宇宙能量之源的面纱

中微子天文学的终极目标是解答困扰人类一个多世纪的宇宙之谜：宇宙射线从何而来？1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯乘坐热气球升空，发现高空辐射强度远超地面，由此发现了宇宙射线。这些来自太空的高能粒子能量之高令人惊叹，最强者达到10的20次方电子伏特，相当于一个棒球全速飞行的动能集中在单个原子核上。但宇宙中什么样的天体物理过程能够将粒子加速到如此惊人的能量，一直是未解之谜。

传统的射电、光学和X射线天文学难以追溯宇宙射线的源头，因为带电粒子在星际磁场中会发生偏转，抵达地球时方向已经与起源地完全不同。而中微子作为电中性粒子，不受磁场影响，能够沿直线传播，精确指向其产生地。当宇宙射线轰击星际物质时，会产生π介子，π介子衰变产生中微子和γ射线。因此，探测高能中微子就能追踪到宇宙射线加速器的位置。

IceCube在2018年实现了重大突破，探测到一个来自40亿光年外耀变体TXS 0506+056的高能中微子事件，这是人类首次确认河外天体产生的高能中微子。这一发现证明，超大质量黑洞驱动的相对论性喷流可以将粒子加速到极高能量。2024年，KM3NeT探测到能量达到9.1拍电子伏特的中微子事件，刷新了海洋中微子探测器的纪录，为研究最极端的宇宙加速过程提供了新数据。

海铃计划的独特价值在于其地理位置和探测能力的互补性。由于地球自转，不同位置的探测器在不同时间能够观测到天空的不同区域。南海探测器能够持续监测南半球天空中的中微子源，特别是银河系中心区域。银河系中心拥有超大质量黑洞人马座A*，以及大量超新星遗迹和脉冲星风云等潜在的宇宙射线加速源。通过与IceCube和KM3NeT的联合观测，科学家可以实现对中微子源的立体监测，提高事件定位精度和统计显著性。

此外，中微子探测还能够揭示其他基本物理学问题。中微子振荡现象表明中微子具有质量，这一发现获得了2015年诺贝尔物理学奖。大型中微子探测器可以精确测量中微子振荡参数，检验标准模型的预言。如果探测到超新星中微子暴，还能够研究恒星塌缩的微观物理过程，甚至可能发现新的粒子或相互作用。海铃计划设计中考虑了多种物理目标，从数十兆电子伏特的超新星中微子到拍电子伏特以上的宇宙中微子，覆盖十个数量级的能量范围。

2025年1月，海铃团队宣布首次在南海3000米深海观测到大气缪子信号，这是探测器功能验证的重要里程碑。大气缪子是宇宙射线与大气相互作用的产物，也是中微子探测的主要本底信号。准确识别和排除大气缪子干扰，是中微子探测的关键技术。这次成功观测表明，海铃计划的探测器设计和数据分析方法已经成熟，为正式运行奠定了基础。

中国在中微子物理研究领域已经积累了深厚实力。大亚湾中微子实验精确测量了中微子振荡参数θ13，江门中微子实验（JUNO）正在建设中，将成为世界领先的中微子研究设施。海铃计划是中国首个大型中微子天文望远镜项目，标志着中国从中微子物理实验室研究迈向中微子天文学前沿。李政道研究所所长、中国科学院院士张杰表示，海铃计划不仅是科学装置，更是推动多学科交叉创新的平台，涉及粒子物理、天体物理、海洋工程、材料科学等多个领域。

从Spider的成功海试到探测器的全面部署，海铃计划还有很长的路要走。但这一步骤已经证明，中国科学家有能力克服深海中微子探测的技术挑战，为人类认识宇宙做出独特贡献。当南海深处的探测器阵列正式投入运行，与全球其他中微子望远镜共同编织起覆盖全天的观测网络时，一个全新的宇宙图景将在我们面前展开。那些穿越数十亿光年时空而来的幽灵粒子，终将讲述它们诞生之处的故事，揭示宇宙中最暴烈现象的本质。