到深海追寻“宇宙信使”

◎本报记者 符晓波

中微子是宇宙中最神秘、最难以探测的基本粒子之一，其相关研究不仅对揭示天体演化和宇宙线起源具有关键作用，还可能带来颠覆性技术突破。

3月28日至29日，香山科学会议第779次学术研讨会在福建省厦门市举行。本次研讨会将“宇宙信使”中微子前沿议题与深海探测研究并置，邀请国内物理学、天文学、海洋科学领域专家，就中微子探测及相关大科学装置的科学价值和跨学科协作潜力展开深入探讨。

探测通天入地的“信使”

“高能中微子是超越银河系尺度的唯一高能‘信使’，中微子天文学经过半个多世纪的发展，已到该领域‘从0到1’突破的关键节点。过去10余个相关实验，特别是我国的高海拔宇宙线观测站（拉索）实验，发现银河系内存在大量高能宇宙线候选天体，已对下一代中微子天文望远镜的探测灵敏度提出了准确的需求。”中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻表示，中微子天文学是有望实现人类重大科学突破的领域，也应成为我国科学家抢占国际科技制高点、引领学科发展的重要方向。

中微子是构成物质世界最小单元之一，几乎没有质量、没有电荷，与物质相互作用很弱，因此可以不受任何阻挡穿越宇宙。探测中微子，可以解开宇宙起源、天体演化等诸多谜题。

华东理工大学物理学院教授廖玮认为，科学新方向多由新工具和新实验驱动，超越1立方公里体积的大型中微子探测器可看作是宇宙学探针，将为探索宇宙演化和宇宙中的物质组成提供实验证据。

目前，国内外正在研发新一代中微子天文望远镜，力求突破现有装置的灵敏度瓶颈。有研究表明，在深水下或冰层中部署大规模立体探测器，能有效探测高能天体中微子信号。目前国际上最知名的中微子望远镜——冰立方，就选择将探测器阵列建在1450米深的南极冰层之下。

与会专家介绍，高能中微子的探测不仅需要立方公里级介质，还需布置在约3000米水下，覆盖海域达100平方公里。因此，南海海域是我国建设中微子天文装置的唯一可选区域。

会上，中国科学院高能物理研究所研究员陈明君介绍，由该所、中国海洋大学和中国科学院声学研究所等单位科研人员联合开展的预先研究，依托南海海底科学观测网，已在南海开展光敏探头、投放及海底布设等验证工作，预计明年完成预研工作；上海交通大学李政道研究所团队也独立开展了相关的预先研究，徐东莲副教授报告了研究的进展。

装置共享推动学科互促共荣

谈及中微子天文装置，参与研讨的海洋学科专家认为，这一布设于深海的大科学装置，同样有望成为撬动海洋科学新发展的“支点”，为海洋研究提供前所未有的精密平台。

厦门大学海洋与地球学院教授刘志宇认为，深海探测是当前海洋科学的前沿领域，中微子探测装置所需的水文环境监测设备在满足中微子探测需求同时，可实现对海洋要素的超高时空分辨率观测，具有革新海洋科学前沿研究的巨大潜力。

多位与会专家指出，一方面，中微子探测所需的深海光学传感、能源供给等技术与深海观测应用的技术存在高度共性；另一方面，海洋动力学研究中涡流、湍流等要素又是影响中微子探测精度的关键因素，这也对探测装置的设计与运维提出挑战。

“中微子探测要求水质稳定，没有水体生物地球化学过程干扰，但现实中的海洋环境往往难以撇开这些干扰过程，中微子探测的背景噪声恰恰是研究海洋生地化过程的丰富数据。”自然资源部第二海洋研究所研究员陈建芳表示，未来，深海中微子观测系统应当实现兼具宇宙极端事件探测与海洋环境生化过程监测双功能，实现“一装置、多产出”，推动跨学科合作和资源共享范式创新。

中国海洋大学教授田纪伟介绍，不久前，我国科研团队在南海顺利完成深海中微子与动力过程协同观测潜标首次布放，并成功接入国家重大科技基础设施南海海底科学观测网开始实时运行。“海洋科学与理论物理具有相近的研究范式，两者交叉融合必将迎来新的研究空间。”他说。