到深海追尋“宇宙信使”

◎本報記者 符曉波

中微子是宇宙中最神秘、最難以探測的基本粒子之一，其相關研究不僅對揭示天體演化和宇宙線起源具有關鍵作用，還可能帶來顛覆性技術突破。

3月28日至29日，香山科學會議第779次學術研討會在福建省廈門市舉行。本次研討會將“宇宙信使”中微子前沿議題與深海探測研究並置，邀請國內物理學、天文學、海洋科學領域專家，就中微子探測及相關大科學裝置的科學價值和跨學科協作潛力展開深入探討。

探測通天入地的“信使”

“高能中微子是超越銀河系尺度的唯一高能‘信使’，中微子天文學經過半個多世紀的發展，已到該領域‘從0到1’突破的關鍵節點。過去10餘個相關實驗，特別是我國的高海拔宇宙線觀測站（拉索）實驗，發現銀河系內存在大量高能宇宙線候選天體，已對下一代中微子天文望遠鏡的探測靈敏度提出了準確的需求。”中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻表示，中微子天文學是有望實現人類重大科學突破的領域，也應成為我國科學家搶佔國際科技制高點、引領學科發展的重要方向。

中微子是構成物質世界最小單元之一，幾乎沒有質量、沒有電荷，與物質相互作用很弱，因此可以不受任何阻擋穿越宇宙。探測中微子，可以解開宇宙起源、天體演化等諸多謎題。

華東理工大學物理學院教授廖瑋認為，科學新方向多由新工具和新實驗驅動，超越1立方公里體積的大型中微子探測器可看作是宇宙學探針，將為探索宇宙演化和宇宙中的物質組成提供實驗證據。

目前，國內外正在研發新一代中微子天文望遠鏡，力求突破現有裝置的靈敏度瓶頸。有研究表明，在深水下或冰層中部署大規模立體探測器，能有效探測高能天體中微子信號。目前國際上最知名的中微子望遠鏡——冰立方，就選擇將探測器陣列建在1450米深的南極冰層之下。

與會專家介紹，高能中微子的探測不僅需要立方公里級介質，還需佈置在約3000米水下，覆蓋海域達100平方公里。因此，南海海域是我國建設中微子天文裝置的唯一可選區域。

會上，中國科學院高能物理研究所研究員陳明君介紹，由該所、中國海洋大學和中國科學院聲學研究所等單位科研人員聯合開展的預先研究，依託南海海底科學觀測網，已在南海開展光敏探頭、投放及海底佈設等驗證工作，預計明年完成預研工作；上海交通大學李政道研究所團隊也獨立開展了相關的預先研究，徐東蓮副教授報告了研究的進展。

裝置共享推動學科互促共榮

談及中微子天文裝置，參與研討的海洋學科專家認為，這一佈設於深海的大科學裝置，同樣有望成為撬動海洋科學新發展的“支點”，為海洋研究提供前所未有的精密平台。

廈門大學海洋與地球學院教授劉志宇認為，深海探測是當前海洋科學的前沿領域，中微子探測裝置所需的水文環境監測設備在滿足中微子探測需求同時，可實現對海洋要素的超高時空分辨率觀測，具有革新海洋科學前沿研究的巨大潛力。

多位與會專家指出，一方面，中微子探測所需的深海光學傳感、能源供給等技術與深海觀測應用的技術存在高度共性；另一方面，海洋動力學研究中渦流、湍流等要素又是影響中微子探測精度的關鍵因素，這也對探測裝置的設計與運維提出挑戰。

“中微子探測要求水質穩定，沒有水體生物地球化學過程干擾，但現實中的海洋環境往往難以撇開這些干擾過程，中微子探測的背景噪聲恰恰是研究海洋生地化過程的豐富數據。”自然資源部第二海洋研究所研究員陳建芳表示，未來，深海中微子觀測系統應當實現兼具宇宙極端事件探測與海洋環境生化過程監測雙功能，實現“一裝置、多產出”，推動跨學科合作和資源共享範式創新。

中國海洋大學教授田紀偉介紹，不久前，我國科研團隊在南海順利完成深海中微子與動力過程協同觀測潛標首次布放，併成功接入國家重大科技基礎設施南海海底科學觀測網開始即時運行。“海洋科學與理論物理具有相近的研究範式，兩者交叉融合必將迎來新的研究空間。”他説。