中國“百川”望遠(yuǎn)鏡：在南海深處網(wǎng)羅宇宙最神秘粒子

什么是中微子？它們無處不在，是這個宇宙中最基本的、數(shù)量最龐大的粒子之一；它們極端瀟灑，幾乎不和任何東西打交道，旁若無物地游蕩在宇宙當(dāng)中；它們是宇宙的活檔案，掌握了太多不為人知的秘密，比如宇宙的誕生，恒星的死亡，致密環(huán)境情況等等等等；它們是高端的魔法師，在星際旅行中，可以隨意地在三種身份之間不停地切換。從泡利1930年預(yù)測出它的存在以來，到現(xiàn)在已經(jīng)將近一百年的時間了，我們慢慢地在接近它們了解它們，但是好像還是沒能一窺全貌。

中微子從哪里來？

中微子作為基本粒子，雖然行事低調(diào)，卻深刻影響著宇宙的運(yùn)行。大爆炸后的一秒鐘，產(chǎn)生了極其龐大的宇宙中微子背景，它們掌握了宇宙最初的信息，這是比宇宙微波背景輻射更早的宇宙印記。中微子作為弱相互作用的參與者，在描述基本粒子形成的標(biāo)準(zhǔn)模型中也扮演著核心的角色。比如貝塔衰變，中子通過釋放一個電子和一個反中微子，轉(zhuǎn)換成一個質(zhì)子。如果沒有中微子，弱相互作用就無法完成這種轉(zhuǎn)化，那么許多化學(xué)元素就無法產(chǎn)生和轉(zhuǎn)變。同時，中微子在反應(yīng)過程中默默地?cái)y帶走了部份的能量和動量，確保了宇宙最基本法則—守恒定律的成立。

在恒星的生死輪回中，中微子作為高效的能量搬運(yùn)工，參與到了核心過程中。它們誕生于恒星內(nèi)部溫度和密度都極高的心臟部位，那里每時每刻都在發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而產(chǎn)生了大量中微子。由于它們不與其他物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生之后就可以像幽靈一樣瞬間穿出，直接帶走巨額能量，起到了冷卻調(diào)節(jié)的作用。在恒星死亡階段的超新星爆發(fā)中，中微子攜帶走了約99%的能量。它們以近乎光速的速度向外噴射，產(chǎn)生的中微子吹壓將恒星的外殼炸飛，從而宣告了一顆恒星的死亡，并播撒出制造行星和生命的重元素。

在宇宙的巨型粒子加速器中，如活動星系核和伽馬射線暴等，所誕生的中微子為我們探測這些遙遠(yuǎn)而神秘的天體提供了獨(dú)一無二的信使。比如，活動星系核作為宇宙中最持久、最強(qiáng)大的高能引擎，中心是超大質(zhì)量黑洞，黑洞周圍的吸積盤物質(zhì)在被吞噬時，因摩擦被加熱到極高溫度，同時產(chǎn)生強(qiáng)大的噴流。在這樣的極端環(huán)境中，質(zhì)子和光子被加速到接近光速，不斷發(fā)生著劇烈碰撞，產(chǎn)生一種叫做π介子的不穩(wěn)定粒子，而其會快速衰變，產(chǎn)生謬子和中微子，隨后謬子會衰變產(chǎn)生另外的中微子。這些具有較高能量的中微子在粒子高能碰撞這樣狂暴的物理過程中被大量制造出來，成為了這些宇宙最劇烈事件中能量和信息輸出的絕對主力。

捕獲中微子

盡管中微子無所不在，但是在生活中我們是沒有辦法“看到”它們的，只能通過觀察其與探測物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的次級效應(yīng)或者痕跡來推斷它們的存在和性質(zhì)。就好像我們處在一片完全黑暗的森林里，想知道周圍有沒有其他生物。那我們只能通過它們活動發(fā)出的聲音，留下的痕跡，腳印的大小來推斷出它們是什么，從哪兒來，有怎么樣的運(yùn)動。探測中微子就更難了，它們幾乎不會在探測器中留下什么來過的證據(jù)。只能采用最“笨”也是最有效的方式，制造巨大的陷阱，耐心地等待著它們極其罕見的撞上的一刻。

怎么設(shè)計(jì)中微子探測器這個陷阱呢？一方面要足夠深，比如深海或者深深的地下，利用上面的海水或者巖層來屏蔽其他的宇宙粒子，只讓中微子能夠穿透進(jìn)來。另一方面就是要足夠大，采用守株待兔的方式，在數(shù)以億億計(jì)穿過探測器的中微子中，極其偶然地會有一個中微子幸運(yùn)地撞上水中的一個原子核或者電子。

圖1 由一串串探測模塊組成的中微子探測陣列，藍(lán)色光錐表示謬子中微子在深海環(huán)境中產(chǎn)生的切倫科夫光信號

（圖片來源：作者團(tuán)隊(duì)自制）

當(dāng)能量很大的中微子擊中到水中的物質(zhì)時，就會將自己的能量轉(zhuǎn)移給帶電粒子。這些帶電粒子在水中的速度就超過了光在水中的速度（光在水中的傳播速度只有真空中的大約75%），從而發(fā)出一種夢幻般藍(lán)色的輝光，也就是所謂的切倫科夫光。就好像一架飛機(jī)在空氣中飛行，當(dāng)它的速度超過聲音在空氣中的速度時，會產(chǎn)生音爆一樣。

這種沿著中微子初始方向產(chǎn)生的藍(lán)光，就會形成一個錐形的波陣面（如圖1所示），就如同快艇超過水波速度時在船尾形成的V形尾跡。那么現(xiàn)在要做的就是探測這些閃光。在深海的致暗環(huán)境中，要探測這樣微弱的光，就需要采用對這些光極其敏感的光眼睛，也就是光電倍增管來對其進(jìn)行捕捉。而光電倍增管的工作原理就像是反向運(yùn)作的燈泡，燈泡利用電來發(fā)光，光電倍增管則通過接收光信號來產(chǎn)生電脈沖信號。所獲得電脈沖信號的強(qiáng)弱直接反映了粒子能量大小，而根據(jù)不同位置所接收到的信號的先后，可以立體地重建出中微子的來源方向。

圖2 裝載著光電倍增管的光電探測模塊，一個個地排布在串上

（圖片來源：作者團(tuán)隊(duì)自制）

為了迎接我們遠(yuǎn)道而來的信使，國內(nèi)外科學(xué)家躍躍欲試，中山大學(xué)、高能所、上海交大等團(tuán)隊(duì)紛紛提出了各自的方案。中大團(tuán)隊(duì)提議以圖2所示光眼為基礎(chǔ)單元，在數(shù)千米的深海中，編織一個巨大的光電探測網(wǎng)來對由中微子而來的輝光進(jìn)行探測，實(shí)驗(yàn)名稱由此而來——“百川”（英文名NEON）。這個網(wǎng)中鑲嵌著的一個個玻璃眼睛，而這些玻璃光眼中密封著光電倍增管。在深海中，除了來自于宇宙帶電粒子碰撞大氣層產(chǎn)生的大氣中微子會干擾我們對來自遠(yuǎn)方的中微子的判斷之外，還有來自海水中具有放射性的鉀元素所輻射的光子對探測造成困擾。為了盡可能多地接收到這些藍(lán)色閃光，并且屏蔽額外的來自各個方向的背景光子，我們用較小的3寸大小的光電倍增管將玻璃球填滿，從而使每一個探測球獲得最大的接光面積，并且具有較好的分辨光子方向的能力，如圖2所示。

我們當(dāng)前的研究表明，如果在中國南海的建設(shè)10立方公里的中微子望遠(yuǎn)鏡——百川，我們將對高能中微子具有極佳的靈敏度，可以把鉀元素的輻射進(jìn)行很好的排除，同時作為靠近赤道的探測實(shí)驗(yàn)，對全天的中微子都具有較好的探測效率，將在國際上處于領(lǐng)先地位（如圖3所示）。

圖3 NEON實(shí)驗(yàn)的靈敏度曲線與當(dāng)前國際實(shí)驗(yàn)的對比

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

大多數(shù)的中微子都是宇宙大爆炸的遺留物，并且已經(jīng)悄無聲息地在宇宙中穿行了130億年。誕生于恒星以及其他天體的中微子，相對還是比較年輕的。在百川的網(wǎng)中，我們相信我們將會和這些攜帶著很多原始的信息走了很遠(yuǎn)的距離的中微子相遇，通過它們我們將更好地認(rèn)識這個宇宙，完善我們對這個世界的認(rèn)知。

參考文獻(xiàn)：

1. Huiming Zhang, Yudong Cui, Yunlei Huang, Sujie Lin, Yihan Liu, and Zijian Qiu et al. A proposed deep sea Neutrino Observatory in the Nanhai. Astropart. Phys., 171:103123, 2025.

出品：科普中國

作者：楊莉莉（中山大學(xué)物理與天文學(xué)院）

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