繼在海拔4410米建設高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），并發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)存在大量“高能宇宙加速器”后，如今中國科學家又將目光投向了海拔負幾千米的深海或深湖。
近日，記者從中科院高能物理研究所（以下簡稱高能所）獲悉，LHAASO的科學研究團隊正在醞釀一個新的計劃——將30立方公里規(guī)模的巨大探測器陣列，放到水深千米以下的海底或湖底。該計劃名為高能水下中微子望遠鏡，以期從深水中遙望深空，解開宇宙線起源的“世紀之謎”。
對于這一計劃的來龍去脈、現(xiàn)狀和難點，《中國科學報》獨家專訪了高能水下中微子望遠鏡計劃負責人、高能所研究員陳明君。
高能水下中微子望遠鏡示意圖。受訪者供圖
瞄準宇宙線起源的“世紀之謎”
《中國科學報》：高能水下中微子望遠鏡計劃目前處于什么階段？
陳明君：目前處在預研階段，正在開展探測器性能預期、方案設計、單元探測器樣機研制、部分關鍵設備研制以及水下工程調(diào)研等工作，高能所團隊還凝聚了所外多家單位參與聯(lián)合攻關。
《中國科學報》：科學家為什么要建這個望遠鏡？
陳明君：早在2017年，LHAASO項目首席科學家、高能所研究員曹臻就提出了高能水下中微子望遠鏡的設想，期望通過對高能中微子的探測徹底解開宇宙線起源的百年未解之謎。
2021年年中，LHAASO研究團隊在《自然》和《科學》上連續(xù)發(fā)布重大成果，發(fā)現(xiàn)在銀河系內(nèi)存在大量超高能伽馬射線源。
不過，國內(nèi)外科學家一直在努力尋找各種證據(jù)，確認這些超高能伽馬射線源就是宇宙線起源。而宇宙線起源是一個十分前沿的科學問題，是探索宇宙及其演化過程中神秘未知世界的金鑰匙。高能宇宙線的起源問題至今未解，被稱為“世紀之謎”。
目前，對于超高能伽馬射線的起源，大家有兩種推測，一種是強子起源，即宇宙線被加速后與天體源附近的物質(zhì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生中性π介子，隨后壽命很短的中性π介子衰變產(chǎn)生伽馬射線，這個碰撞會伴生高能中微子；另一種是輕子起源，即認為超高能伽馬射線產(chǎn)生于高能電子，這個源不是宇宙線起源，其特征是不產(chǎn)生中微子。
已經(jīng)有一些研究證據(jù)暗示了強子起源的可能性，而高能中微子的探測正好可以作為宇宙線起源的判斷依據(jù)。中微子與伽馬光子都是不帶電的，可以用其到達的方向反指到產(chǎn)生這兩種粒子的宇宙線起源位置，再加上超高能伽馬射線的觀測，有望徹底解開宇宙線起源之謎。
在千米深的水底穿2300根“串”
《中國科學報》：據(jù)說望遠鏡計劃建在千米以下的水底。為什么要在水下建望遠鏡陣列？
陳明君：高能水下中微子望遠鏡瞄準的是探測能量在百TeV（萬億電子伏特）以上的中微子。建到水下主要是因為中微子在水里穿越的過程中會與原子核碰撞產(chǎn)生次級粒子，帶電次級粒子會發(fā)出光信號，而這些光信號可以被布置在水體中的探測器捕捉到。
那么，為什么要建在千米以下的水底呢？主要原因有兩個。第一，深水可屏蔽日光，約500米深的水下是完全黑暗的，在這種環(huán)境里，探測器才可以白天黑夜無差別地有效捕捉有用的光信號；第二，在千米以下，水體中基本沒有魚類和微生物，水非常干凈，有利于光信號的傳輸，增加中微子信號被探測到的概率。
《中國科學報》：目前國際上是否有類似項目？高能水下中微子望遠鏡與這些項目相比有什么不同？
陳明君：國際上已有類似的項目，正在運行的主要有兩個。在南極，有美國主導的冰立方中微子天文臺（IceCube）；在貝加爾湖，有目前北半球最大的深水中微子望遠鏡（Baikal-GVD）。
冰立方建在南極的冰體里，由86根裝備了探測器的電纜組成，這些電纜一頭連在地表實驗室中，另一頭從冰洞向下延伸至地下2.5公里的深度。該天文臺耗資2.8億美元建成，探測器陣列達到1立方公里，目前他們正在計劃擴大陣列規(guī)模。
深水中微子望遠鏡，建在貝加爾湖水深750米至1300米的位置，探測器陣列只有0.5立方公里，計劃擴大到1立方公里。
根據(jù)冰立方、深水中微子望遠鏡以及LHAASO等實驗的觀測結(jié)果，可以估算出超高能伽馬射線伴生的高能中微子流強。由此得出一個結(jié)論，即如果要在幾年內(nèi)有效地觀測確認一個超高能伽馬射線源是否為高能中微子源，從而確認宇宙線起源，至少需要30立方公里以上的有效探測體積。所以，高能水下中微子望遠鏡就設計為水下一個30立方公里的探測器立體陣列。
《中國科學報》：你們打算怎么在水下建起這個巨大的陣列？
陳明君：我們計劃用線纜將探測器設備穿成串，然后排列成陣，這也是國際上已經(jīng)實踐過的做法。為了增強探測器單元體的探測能力，從而降低整個探測陣列的造價，我們設計在單元探測器里放置探測能力強大的20英寸光電倍增管，用來將微弱的光信號轉(zhuǎn)變成電信號。每24個光電倍增管將被穿成一串，每串長860米，底端固定在海底或湖底。整個探測器陣列將有2300串，串與串間隔130米，可以覆蓋36平方公里。
工程挑戰(zhàn)需逐一克服
《中國科學報》：聽說2月初你們在南海西沙海域完成了首次深海測試工作，主要做了些什么？
陳明君：2月9日至14日，我們開展了首次海試。按實驗計劃，我們將5個玻璃艙儀器放到了1800米深的水下，對探測器系統(tǒng)開展了各項指標的檢驗，尤其是防水耐壓性能的檢驗。經(jīng)過兩天的連續(xù)測量，我們記錄了大量人工信號和環(huán)境背景信號，在不同深度下進行了低本底伽馬輻射原位測量，獲得了用于優(yōu)化探測設計的重要一手資料。我們還實地驗證了4套玻璃艙裝置的防水封裝工藝，并完成了國產(chǎn)化23英寸玻璃艙樣品的耐壓測試，同時還檢驗了長距離LED時間刻度系統(tǒng)的性能。
《中國科學報》：在選址的時候，會考慮哪些因素？
陳明君：目前，我們在選址方面還沒有投入太多力量。
選址主要考慮的是建設成本和實現(xiàn)的難易程度。超過1300米深度的水體主要都在海里，陸地上只有俄羅斯的貝加爾湖。它是世界上最深的湖，最深處達到1600米，湖底平坦，近百平方公里內(nèi)的湖底高程差不超過1米。它也是非常干凈的湖，水吸收長度大于20米，比家用自來水要透明得多。那里還有一個獨一無二的優(yōu)點——每年2至4月，湖面結(jié)冰1米以上，可以在冰面上直接進行探測器投放工作，這與在氣候條件變幻莫測且波濤洶涌的海面上的投放相比，將極大減少探測器的造價。
另外，我國南海有許多水深3000米且海床平坦的可選站址，其中距離島嶼最近的大約150公里，面臨供電、數(shù)據(jù)傳輸、深海作業(yè)等諸多挑戰(zhàn)。
《中國科學報》：如果這個望遠鏡陣列建成了，在周圍多大范圍內(nèi)不能有人類活動的干擾？
陳明君：人類日?；顒訋缀醪荒艿竭_水下500米，這個望遠鏡陣列基本不會受到人類活動干擾。
《中國科學報》：在水下建望遠鏡會面臨怎樣的工程挑戰(zhàn)？
陳明君：我們研究組在高原一線做宇宙線實驗已經(jīng)超過40年，現(xiàn)有團隊成員都經(jīng)歷了LHAASO的建設過程，是一支不懼艱難、敢于挑戰(zhàn)、執(zhí)行力很強的隊伍。
對于水下作業(yè)，我們預計遇到的困難會比高原上多。第一是探測器研發(fā)，每個設備都必須滿足千米深水下防水、耐壓的要求，這和我們現(xiàn)有幾米或幾十米的水下設備的研發(fā)區(qū)別很大。第二是海上工程作業(yè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。第三是高昂的作業(yè)成本，比如租船費、水下無人機設備和作業(yè)費用等。第四是缺乏必要的基礎設施條件，供電就是設備建設和運行面臨的挑戰(zhàn)之一。這些都需要我們逐一去克服。
引自《中國科學報》 (2023-03-15 第4版 綜合 原標題為《從深水中遙望深空 求解宇宙線“身世”》)原地址 https://mp.weixin.qq.com/s/-lAa2iulMLRjuVkTRWs4-g
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