深海中微子望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)機(jī)遇與中國布局——依托“海鈴計(jì)劃”邁向高能中微子天文學(xué)的精確時(shí)代

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第3 期 《深海中微子望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)機(jī)遇與中國布局——依托“海鈴計(jì)劃”邁向高能中微子天文學(xué)的精確時(shí)代》

高能中微子與物質(zhì)相互作用極弱，且在星際傳播過程中不受磁場偏轉(zhuǎn)，是研究宇宙極端物理過程、揭秘宇宙線起源、驅(qū)動(dòng)多信使觀天的重要信使。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請上海交通大學(xué)李政道研究所長聘學(xué)者、副教授徐東蓮及景益鵬院士團(tuán)隊(duì)撰寫文章，論述了以 IceCube 為代表的第一代中微子望遠(yuǎn)鏡已首次探測到天體起源的高能中微子，獲得了來自活動(dòng)星系核和銀盤的彌散中微子輻射的強(qiáng)力證據(jù)；指出了受限于當(dāng)代望遠(yuǎn)鏡的體量、角分辨率以及中微子味識(shí)別能力，絕大多數(shù)高能中微子來源仍然未知。當(dāng)下，國際上正加速推進(jìn)下一代中微子望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，中國科學(xué)家提出在南海建設(shè)性能大幅提升的二代中微子望遠(yuǎn)鏡——海鈴計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)天體中微子源的快速定位及中微子味比的精確測量，確切解答宇宙射線起源之謎、深入研究其加速機(jī)制，并在天文尺度基線上研究中微子振蕩性質(zhì)與潛在新物理規(guī)律。海鈴?fù)h(yuǎn)鏡創(chuàng)新采用彭羅斯密鋪的非等距陣列布局及混合型光電探測球艙（hDOM），在兼顧大體積覆蓋的同時(shí)顯著提升角分辨率、能量測量精度與中微子味道識(shí)別能力；建成后有望在 1 年內(nèi)以高置信度確認(rèn)迄今 IceCube 最顯著的點(diǎn)源 NGC1068，并快速實(shí)現(xiàn)中微子天體源的批量發(fā)現(xiàn)。海鈴團(tuán)隊(duì)已完成南海選址驗(yàn)證、核心技術(shù)研發(fā)及深海施工策略開發(fā)，具備項(xiàng)目規(guī)模化推進(jìn)的條件。建議在“十五五”期間啟動(dòng)南海中微子望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，搶占中微子天文學(xué)重大突破先機(jī)。

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子之一，其概念最早由泡利（Wolfgang Ernst Pauli）于1930年提出，并在1956年的核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)中首次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。此后，中微子物理的發(fā)展多次推動(dòng)基礎(chǔ)物理的重大突破，并屢次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。早期人類探測到的中微子主要集中在MeV?GeV及以下能區(qū)，包括反應(yīng)堆中微子的發(fā)現(xiàn)（1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、繆子中微子的發(fā)現(xiàn)（1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、大麥哲倫云內(nèi)超新星1987A爆發(fā)中微子的探測（2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），以及太陽與大氣中微子振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。這些成果為中微子存在質(zhì)量及其振蕩機(jī)制等基本性質(zhì)提供了關(guān)鍵證據(jù)。

然而，真正來自宇宙高能加速器的TeV?PeV高能天體中微子，直到位于南極極點(diǎn)的冰立方中微子望遠(yuǎn)鏡（IceCube）于2010年建成之后才得以觀測。2013年，IceCube首次探測到來自地外的高能彌散中微子，標(biāo)志著中微子天文學(xué)的新紀(jì)元。自此，人類在依賴傳統(tǒng)電磁波觀測宇宙的方式之外，進(jìn)一步拓展引入了高能天體中微子這一獨(dú)特信使，其與物質(zhì)作用極其微弱，且在星際傳播不受磁場偏轉(zhuǎn)，為研究極端宇宙規(guī)律提供了全新的窗口。隨后，2015年激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational?Wave Observatory，LIGO）首次直接探測到由雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)，中微子與引力波共同加入了宇宙信使的行列，與光子和宇宙射線共同構(gòu)成了多信使天文學(xué)的觀測體系，使人類獲得前所未有的觀天能力，得以重建宇宙中最極端物理過程的“全息”圖景。

1 國際中微子天文學(xué)現(xiàn)狀與重大科學(xué)機(jī)遇

1.1 IceCube成果

過去10余年里，IceCube在探尋高能中微子天體源方面取得了一系列里程碑式成果。除了持續(xù)精確測量來自地外的彌散高能中微子流，IceCube在最近幾年又確認(rèn)了來自銀盤的彌散中微子流。

2017年，通過多信使協(xié)同觀測，IceCube找到了首個(gè)中微子源的證據(jù)——耀變體TXS0506+056（3.0σ）。IceCube探測到一個(gè)來自該源方向的高能中微子事件IC170922A（能量約290 TeV），當(dāng)時(shí)該源正處于伽馬輻射增強(qiáng)階段。隨后對歷史數(shù)據(jù)的回溯分析發(fā)現(xiàn)，該源在2014—2015年曾發(fā)生1次未伴隨伽馬輻射的中微子爆發(fā)（3.5σ），進(jìn)一步揭示其輻射機(jī)制的復(fù)雜性。

2022年，IceCube找到第2個(gè)中微子源的強(qiáng)力證據(jù)——塞佛特星系NGC1068（4.2σ）。該源主要產(chǎn)生能量在1.5~15 TeV的中微子，且未觀測到對應(yīng)的TeV伽馬射線，暗示高能伽馬輻射在致密環(huán)境中被強(qiáng)烈吸收。最近的理論研究指出，其輻射區(qū)可能位于黑洞附近約幾至數(shù)十個(gè)施瓦西半徑以內(nèi)，對傳統(tǒng)噴流加速模型提出了直接挑戰(zhàn)。

迄今為止，高能中微子信號(hào)最為顯著的2個(gè)天體源均表現(xiàn)出明顯的伽馬射線強(qiáng)吸收特征。這一事實(shí)表明，從觀測者的角度來看，中微子與伽馬射線信使在同一源中往往難以兼得。其根本原因在于，中微子的產(chǎn)生通常要求源區(qū)存在充足的靶物質(zhì)，以驅(qū)動(dòng)高能宇宙射線發(fā)生強(qiáng)子相互作用；而這些致密的靶物質(zhì)環(huán)境會(huì)對伴生的高能伽馬射線產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，使其難以逃逸源區(qū)，而中微子由于與物質(zhì)相互作用極弱，能夠直接從致密環(huán)境中逃逸出來。

因此，依賴伽馬射線觀測來驅(qū)動(dòng)高能中微子天體源的尋找，將不可避免地遺漏一批最具物理價(jià)值的宇宙加速器，這表明了中微子信使的獨(dú)特作用以及發(fā)展下一代中微子望遠(yuǎn)鏡的必要性。

在基礎(chǔ)物理方面，高能中微子同樣展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值。2021年，IceCube公布了一個(gè)能量約6.05±0.72PeV的簇射事件，其特征與理論預(yù)言的格拉肖共振相符，這不僅表明天體中微子流量中存在電子反中微子成分，同時(shí)也為在PeV能區(qū)進(jìn)一步檢驗(yàn)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和窗口。

此外，隨著對南極冰川中波形讀出的精細(xì)分析逐步成熟，IceCube已進(jìn)入可識(shí)別陶中微子的階段，為未來利用“味比”探測新物理奠定了重要基礎(chǔ)。然而，由于南極冰層中存在明顯的塵埃結(jié)構(gòu)，其光學(xué)性質(zhì)在空間上具有明顯的不均勻性，對切倫科夫光的散射和吸收過程產(chǎn)生重要影響，從而影響事件波形重建并增加陶中微子鑒別中的系統(tǒng)不確定性。相比之下，深海水體在光學(xué)性質(zhì)上的均勻性更高、光散射效應(yīng)更弱，這使得基于深海環(huán)境的中微子望遠(yuǎn)鏡在角分辨率以及陶中微子鑒別和味比測量等關(guān)鍵能力上具備顯著優(yōu)勢。

1.2 潛在高能天體中微子源分析

盡管已取得重要突破，現(xiàn)有觀測同時(shí)揭示出宇宙高能中微子分布的復(fù)雜性。根據(jù)IceCube的測量，銀盤貢獻(xiàn)的中微子不足其觀測到的總彌散流量的10%。理論研究進(jìn)一步指出，銀河系更像一個(gè)“中微子沙漠”：銀河系的中微子亮度比遙遠(yuǎn)星系的平均亮度暗10~100倍（低1~2個(gè)數(shù)量級）。這意味著在過去的幾百萬年里，銀河系沒有出現(xiàn)過產(chǎn)生大量高能中微子的源。

在目前已探測到的河外候選天體源中，至少存在2種性質(zhì)迥異的源（圖1）：如NGC1068這類離地球較近（~14.4 Mpc），其產(chǎn)生的中微子能譜較軟（E?3.2）的源，能量主要集中在1.5~15 TeV；以及TXS 0506+056這類離地球很遙遠(yuǎn)（z=0.3365，~1774 Mpc），能譜較硬（E?2）的源，主要產(chǎn)生約40~400 TeV的高能中微子。對于這2類源，理論研究表明其輻射區(qū)域可能位于黑洞附近幾至數(shù)十個(gè)施瓦西半徑以內(nèi)；但也有研究提出，TXS 0506+056的中微子及多波段輻射可能起源于其相對論噴流內(nèi)。

圖1 點(diǎn)源 NGC1068（藍(lán)色）與 TXS 0506+056（橙色）流強(qiáng)對比

這些結(jié)果暗示宇宙中可能存在多種截然不同的粒子加速機(jī)制，其背后涉及的吸積流結(jié)構(gòu)、磁重聯(lián)、極端等離子體過程仍是當(dāng)前天體物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。高能中微子的觀測將為揭示黑洞附近等離子體耗散、粒子加速的物理過程、暗物質(zhì)與宇宙射線作用等新物理規(guī)律提供全新視角和關(guān)鍵線索。

目前，除了最顯著的中微子點(diǎn)源候選體——活動(dòng)星系核（NGC1068和TXS 0506+056這2個(gè)點(diǎn)源貢獻(xiàn)約1%的IceCube中微子彌散流量），以及銀盤彌散中微子（貢獻(xiàn)約10%）之外，IceCube所觀測到的大部分高能彌散中微子流的起源仍然未知。現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，IceCube探測到的大部分高能中微子應(yīng)來自遙遠(yuǎn)的天體弱源，如星爆星系（starburst galaxies）。而要分辨這些天體弱源，中微子望遠(yuǎn)鏡需要達(dá)到0.1度的角度分辨率，及更高的探測靈敏度（圖2）。

圖2 不同類型高能中微子天體源在源數(shù)密度與單源中微子光度空間中的分布示意，并與 IceCube及下一代中微子望遠(yuǎn)鏡的探測能力進(jìn)行對比

除穩(wěn)恒源以外，宇宙中劇烈的高能活動(dòng)還可能產(chǎn)生具有瞬態(tài)性質(zhì)的中微子源，如潮汐瓦解事件、活動(dòng)星系核耀發(fā)（包括耀變體耀發(fā)）等。這類暫現(xiàn)事件通常伴隨瞬時(shí)增強(qiáng)的電磁輻射，并可能同步產(chǎn)生中微子，因此，需要聯(lián)合中微子與其他宇宙信使開展協(xié)同觀測。然而，目前IceCube空間上的定位誤差較大，使得精確識(shí)別暫現(xiàn)中微子源仍具有挑戰(zhàn)性。未來建設(shè)具有更高角分辨率和更大體量的中微子望遠(yuǎn)鏡，將顯著提升對暫現(xiàn)源的實(shí)時(shí)探測能力，并推動(dòng)多信使天文學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.3 重大科學(xué)機(jī)遇

中微子天文學(xué)正站在新的歷史起點(diǎn)上，面臨前所未有的科學(xué)機(jī)遇。通過探測器的巧妙設(shè)計(jì)與望遠(yuǎn)鏡整體的精密布局，有望在2個(gè)前沿方向產(chǎn)生重大突破。

• 首先，需要確認(rèn)一批高能中微子天體源，以確切解答高能宇宙線起源之謎，并深入研究這些宇宙加速器中粒子的加速機(jī)制。

• 其次，需要通過精確的中微子味比測量，在天文尺度基線上檢驗(yàn)中微子振蕩性質(zhì)并尋找超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理規(guī)律，例如中微子與暗物質(zhì)的相互作用、中微子衰變、量子引力效應(yīng)或洛倫茲不變性破缺等現(xiàn)象。任何偏離理論預(yù)期的味比結(jié)果都可能意味著新的物理機(jī)制的存在，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)依賴于未來對3種味道（電子、繆子及陶）中微子的高精度測量。

然而，這一科學(xué)機(jī)遇具有明確且有限的時(shí)間窗口，其緊迫性集中體現(xiàn)在未來5~10年。美國2020年發(fā)布的最新天文與天體物理10年規(guī)劃（US Decadal Survey）將多信使天文學(xué)，尤其是以高能中微子和引力波為代表的新信使與新物理規(guī)律尋找，列為未來10年的核心發(fā)展方向之一，并明確支持建設(shè)下一代中微子望遠(yuǎn)鏡IceCube?Gen2，預(yù)計(jì)在2035年前后建成。

中國科學(xué)家自2018年開始在南海探索建設(shè)下一代中微子望遠(yuǎn)鏡——“海鈴計(jì)劃”，迄今已在臺(tái)址海域驗(yàn)證、核心探測器研制、中微子與本底信號(hào)模擬等方面取得扎實(shí)進(jìn)展，并已實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡深海精密布放與組網(wǎng)等工程技術(shù)的攻堅(jiān)，全面具備了啟動(dòng)建設(shè)的條件。若中國在“十五五”期間啟動(dòng)深海中微子望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，將有望搶占中微子天文學(xué)重大突破的先機(jī)，填補(bǔ)中國實(shí)測中微子天文學(xué)的空白，實(shí)現(xiàn)從起跑到跟跑，甚至領(lǐng)跑的跨越。

1.4 下一代中微子望遠(yuǎn)鏡

為了角逐這些重大科學(xué)機(jī)遇，歐美主要發(fā)達(dá)國家正密鑼緊鼓推進(jìn)下一代中微子望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，包括IceCube?Gen2、KM3NeT、Baikal?GVD、P?ONE等。中國也在推動(dòng)建設(shè)下一代中微子望遠(yuǎn)鏡，包括海鈴?fù)h(yuǎn)鏡（TRopIcal DEep?sea Neutrino Telescope，TRIDENT，以下簡稱“海鈴”），以及高能水下中微子望遠(yuǎn)鏡（High?energy Underwater Neutrino Telescope，HUNT）、南海中微子天文臺(tái)（NEutrino Observatory in the Nanhai，NEON）等。

未來的探測器需要在更大探測體積與更低能閾之間取得平衡，使其既能夠探測超過百TeV的高能中微子，又能對NGC1068這類TeV級源保持高靈敏度。同時(shí)，更高的方向與能量分辨率、改進(jìn)的波形讀出技術(shù)以及對水/冰介質(zhì)差異的深入理解，將有助于實(shí)現(xiàn)天體陶中微子的高精度鑒別，推動(dòng)中微子天文學(xué)邁入“精確時(shí)代”。這些努力將最終幫助人類識(shí)別一批宇宙深處的高能加速器、揭示黑洞附近的極端物理過程，并借助中微子這一獨(dú)特信使探索可能超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理圖景。

依托更優(yōu)的角分辨率和更高的靈敏度，海鈴將與中國現(xiàn)有及在建的多波段、多信使觀測設(shè)施形成協(xié)同體系，包括500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five?hundred?meter Aperture Spherical radio Telescope，F(xiàn)AST）、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（如運(yùn)行中的麗江望遠(yuǎn)鏡、未來的地面交通大學(xué)光譜望遠(yuǎn)鏡（Jiao?tong University Spectroscopic Telescope，JUST）與地面寬視場光譜巡天望遠(yuǎn)鏡（MUltiplexed Survey Telescope，MUST）、光譜望遠(yuǎn)鏡及中國空間站巡天空間望遠(yuǎn)鏡（China Space Station Telescope，CSST）等），X射線衛(wèi)星如在軌運(yùn)行的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X?ray Modulation Telescope，HXMT）、愛因斯坦探針（Einstein Probe，EP）及未來的增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（enhanced X?ray Timing and Polarimetry mission，eXTP），高海拔宇宙線觀測站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO），未來空間站上的高能宇宙輻射探測設(shè)施（High Energy cosmic?Radiation Detection，HERD），以及MeV能段的江門中微子觀測站（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，JUNO）和EeV能段的大型中微子探測陣列（Giant Radio Array for Neutrino Detection，GRAND）。

海鈴憑借其低緯臺(tái)址和高角分辨率優(yōu)勢，可在全天區(qū)范圍內(nèi)提供高置信度的中微子預(yù)警與源定位信息，支持多波段望遠(yuǎn)鏡開展快速跟蹤觀測，從而在時(shí)間域與能譜域上聯(lián)合刻畫極端宇宙中粒子加速與能量釋放過程，構(gòu)建中國完備、自主的多信使觀測網(wǎng)絡(luò)。在國際層面，海鈴將作為低緯深海中微子望遠(yuǎn)鏡，與現(xiàn)有北半球和高緯裝置共同構(gòu)成覆蓋全天區(qū)的全球多信使觀測體系。其近赤道臺(tái)址能夠有效填補(bǔ)現(xiàn)有中微子望遠(yuǎn)鏡在南天區(qū)的靈敏度與視場空缺，在瞬變源快速定位、跨波段聯(lián)合觸發(fā)以及長時(shí)標(biāo)巡天統(tǒng)計(jì)研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2 海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡

2.1 南海選址

中微子望遠(yuǎn)鏡的探測機(jī)制基于捕捉中微子與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的切倫科夫輻射光信號(hào)，這一物理特性決定了臺(tái)址環(huán)境的優(yōu)劣，直接制約著裝置的探測效能。構(gòu)建深海中微子望遠(yuǎn)鏡，首要前提在于通過大深度的水體屏蔽宇宙線繆子本底，同時(shí)保障介質(zhì)具有極佳的光學(xué)透明度，以確保微弱的光信號(hào)在長距離傳輸中保持足夠的強(qiáng)度與方向信息，進(jìn)而確保可收集到充足的光子，并實(shí)現(xiàn)對中微子能量與方向的精準(zhǔn)重建。此外，海水中的放射性同位素和生物發(fā)光是深海中微子望遠(yuǎn)鏡的主要噪聲來源之一，因此選擇深海環(huán)境的穩(wěn)定性與低本底特性同樣關(guān)鍵，需要盡量避開生物活躍區(qū)域并對深海中放射性本底進(jìn)行精確測量和評估，以免環(huán)境噪聲湮滅有效信號(hào)。

為對南海選址進(jìn)行定量評估，2021年9月，海鈴團(tuán)隊(duì)在南海北部海域成功實(shí)施了深海原位勘測任務(wù)（圖3），在水深3420 m處開展了針對海水光學(xué)性質(zhì)、流場性質(zhì)及放射性本底的系統(tǒng)性測量。結(jié)果顯示，該海域深層海水的平均吸收長度約為27 m，散射長度約為63 m，其光學(xué)屬性與國際同類裝置的選址標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，具備實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1°角分辨率的物理?xiàng)l件。同時(shí)，實(shí)測數(shù)據(jù)證實(shí)，在3000 m深度以下，海流流速保持在10 cm/s以下的低流速狀態(tài)，且未監(jiān)測到顯著的生物發(fā)光活動(dòng)。這些實(shí)測數(shù)據(jù)，為在中國低緯度深海建設(shè)大型中微子望遠(yuǎn)鏡提供了確鑿的依據(jù)，驗(yàn)證了海鈴臺(tái)址（海鈴盆地）的可行性。

圖3 海鈴?fù)h(yuǎn)鏡臺(tái)址海鈴盆地

2.2 探測器設(shè)計(jì)

海鈴探測器的總體設(shè)計(jì)主要由2個(gè)核心物理目標(biāo)所驅(qū)動(dòng)：一是迅速定位高能天體中微子源，二是精確測量到達(dá)地球的中微子味道比例。為迅速準(zhǔn)確定位天體源，探測器需在繆子中微子產(chǎn)生的徑跡型事件（tracks）中具備極高的角分辨率；而為實(shí)現(xiàn)中微子味比的精確測量，則須對電子中微子產(chǎn)生的局域簇射（cascades）事件保持高探測靈敏度，并且能夠可靠識(shí)別陶中微子所特有的雙簇射（double cascades）特征。由于不同類型中微子事件產(chǎn)生的光信號(hào)分布范圍差別很大（如圖4所示，繆子中微子產(chǎn)生光信號(hào)分布可達(dá)千米級，電子中微子10 m級，而陶中微子幾十到千米級），它們對潛標(biāo)陣列間距布局提出了截然不同的要求，因此，海鈴的陣列布局采用彭羅斯密鋪的非等距串列布局，如圖5所示。

圖4 深水中微子望遠(yuǎn)鏡中 3 種中微子事件示意

圖5 海鈴探測器陣列俯視圖（a）與正視圖（b）示意

該布局具有2方面關(guān)鍵優(yōu)勢：一方面，非均勻的串列間距可兼顧不同能量閾值需求，實(shí)現(xiàn)探測器在TeV至EeV超寬能區(qū)內(nèi)的有效觀測；另一方面，由于陣列不具平移或旋轉(zhuǎn)對稱性，可更高效抑制直線穿行的大氣繆子噪聲。模擬結(jié)果表明，該布局既滿足高能徑跡事件的大尺度重建需求，又提升局域簇射事件的能量測量精度，使探測器在有效探測面積、角分辨率等關(guān)鍵性能上保持均衡表現(xiàn)，從而覆蓋超寬能段物理目標(biāo)。

除陣列整體布局外，單個(gè)探測球艙的性能同樣決定著海鈴在方向重建、能量測量與中微子味識(shí)別方面的能力。相較于IceCube與Baikal?GVD所采用的“單個(gè)光電探測器件”方案，海鈴團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)提出并成功研制了新一代混合型光電球艙（hybrid digital optical module，hDOM），該方案在第31屆國際中微子物理與天體物理大會(huì)（Neutrino 2024）的探測器大會(huì)特邀報(bào)告中，被作為中微子探測新型光學(xué)傳感器（novel concepts of light sensors and light detection techniques for neutrino physics）方案之一高亮介紹。海鈴hDOM在多支小型光電倍增管（photomultiplier tube，PMT）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合了具備百皮秒級時(shí)間響應(yīng)的硅基光電倍增器，從而能夠充分發(fā)揮海水介質(zhì)散射低的優(yōu)勢，顯著提升對切倫科夫光到達(dá)時(shí)間的測量精度。球艙表面布置有數(shù)十個(gè)獨(dú)立光電探測單元，形成類似“復(fù)眼”的分布式收光結(jié)構(gòu)，可從多個(gè)方向同時(shí)記錄光信號(hào)，為中微子事件重建提供更充分的信息支撐。

• 首先，hDOM具備優(yōu)良的時(shí)間測量精度和方向分辨能力，能夠更準(zhǔn)確地還原切倫科夫光的到達(dá)時(shí)間和傳播方向，從而提高徑跡型事件的指向精度，并改善簇射型事件的能量重建效果。

• 其次，hDOM多通道分布式探測避免了強(qiáng)信號(hào)集中在單一探測單元上，使球艙在極高能量事件中不易飽和，能夠穩(wěn)定記錄從TeV到EeV能區(qū)的能量沉積。

• 另外，依托多通道結(jié)構(gòu)，hDOM能在單球艙尺度上識(shí)別多個(gè)探測單元的同時(shí)響應(yīng)，有效抑制深海天然放射性（如鉀40衰變）等引起的隨機(jī)噪聲，在不降低觸發(fā)效率的前提下，顯著降低探測能閾。

基于上述設(shè)計(jì)，海鈴將在徑跡型事件中獲得相較現(xiàn)有探測器顯著改進(jìn)的角分辨率，從而有效提升對點(diǎn)源的探測靈敏度。模擬結(jié)果表明，海鈴建成并投入運(yùn)行后，有望在1年內(nèi)以5σ置信度發(fā)現(xiàn)NGC1068，并快速實(shí)現(xiàn)中微子天體源的批量發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)高能中微子天文學(xué)研究進(jìn)入精確時(shí)代。在確認(rèn)天體中微子源后，結(jié)合中微子觀測得到的能譜斜率與能量覆蓋范圍及多波段電磁輻射等開展多信使聯(lián)合分析，海鈴不僅有望在強(qiáng)子加速模型與輕子輻射模型之間實(shí)現(xiàn)物理排除或優(yōu)選，還可對中微子輻射區(qū)的空間尺度給出更嚴(yán)格的約束，并為區(qū)分激波加速（一階費(fèi)米機(jī)制）、隨機(jī)加速（二階費(fèi)米機(jī)制）以及相對論性磁重聯(lián)等不同粒子加速路徑提供關(guān)鍵觀測依據(jù)。

在中微子味比精確測量方面，陶中微子的識(shí)別是長期存在的技術(shù)難點(diǎn)，hDOM的全波形讀出能力為該探測提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。高能陶中微子在探測介質(zhì)中發(fā)生相互作用并產(chǎn)生次級陶輕子，由于陶輕子壽命極短，其在傳播極短距離后即發(fā)生衰變，從而在探測器中形成2個(gè)在時(shí)間上緊密相鄰、具有明確先后順序的光信號(hào)脈沖（雙脈沖），如圖6所示。全波形讀出能夠清晰識(shí)別這一特征信號(hào)，并利用多通道獲取的時(shí)間與空間信息，有效區(qū)分真實(shí)物理事件與噪聲，從而降低陶中微子的探測能閾，提高識(shí)別效率，最終提升中微子味道比例測量的靈敏度。精度顯著提升的味比測量不僅可用于區(qū)分源區(qū)內(nèi)中微子的不同產(chǎn)生機(jī)制，還可作為跨越天文尺度檢驗(yàn)中微子振蕩規(guī)律的關(guān)鍵探針。若觀測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期有系統(tǒng)性偏差，將昭示新的中微子相互作用規(guī)律。

圖6 高能陶中微子在望遠(yuǎn)鏡中反應(yīng)（a）產(chǎn)生的雙脈沖波形信號(hào)（b）

此外，hDOM可利用在單個(gè)球艙上多PMT擊中時(shí)間成協(xié)的局域符合判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對MeV級超新星中微子信號(hào)的甄別：反電子中微子在海水中發(fā)生逆貝塔衰變（inverse beta decay，IBD），釋放正電子與中子，利用天然氯核對中子的高效俘獲能力，海鈴首次創(chuàng)新地在海水中應(yīng)用IBD的瞬時(shí)信號(hào)與中子氯核俘獲延遲信號(hào)的成協(xié)性，高效抑制了海水放射性本底的干擾，比同類深海望遠(yuǎn)鏡超新星預(yù)警距離提升了近3倍（圖7）。基于上述對MeV中微子信號(hào)的高效甄別與本底抑制能力，海鈴預(yù)計(jì)可獲得數(shù)十千噸量級的有效探測體量，從而對銀河系內(nèi)超新星中微子信號(hào)隨時(shí)間的演化進(jìn)行精確測量，并結(jié)合電磁波段與引力波觀測數(shù)據(jù)，深入研究超新星爆發(fā)機(jī)制。同時(shí)，這類高統(tǒng)計(jì)、高時(shí)間分辨的觀測也有望為中微子質(zhì)量序等基本物理問題提供新的觀測約束。

圖7 hDOM 對超新星 MeV 中微子探測原理示意（a）及海鈴對超新星的探測靈敏度（b）

在成功研制3英寸PMT的hDOM（圖8（a））后，海鈴團(tuán)隊(duì)開展了面向部署大規(guī)模陣列降低成本與功耗的系統(tǒng)研究。模擬結(jié)果表明，通過采用4英寸PMT以減少通道數(shù)，并將硅光電倍增管（silicon photomultiplier，SiPM）探測單元優(yōu)化部署于球艙下半球（圖8（b）），可在不削弱海鈴核心科學(xué)目標(biāo)的前提下，使單個(gè)hDOM的總體造價(jià)和功耗降低約40%。這一優(yōu)化方案在保持探測器關(guān)鍵物理性能的同時(shí)，顯著提升了大規(guī)模陣列建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與可擴(kuò)展性。

圖8 海鈴 3 英寸 hDOM 實(shí)物（a）及優(yōu)化后的4 英寸 hDOM 設(shè)計(jì)圖（b）

總體而言，海鈴團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)提出的hDOM混合型光電探測球艙方案在深海放射性噪聲抑制、時(shí)間與角度分辨率、能量重建、動(dòng)態(tài)范圍與味道識(shí)別等方面均全面優(yōu)于上一代光學(xué)球艙，為海鈴實(shí)現(xiàn)“快速定位天體中微子源”與“精確味道測量”的2個(gè)核心科學(xué)目標(biāo)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 深海工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)

要將如此密集的大型柔性潛標(biāo)陣列精準(zhǔn)部署在深海環(huán)境中，對深海施工、光電傳輸以及海底精密組網(wǎng)提出了一系列工程挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)深水潛標(biāo)常采用“自上而下自由下沉”，即“拋放式”的布放方式。而這種方式中略微的海水洋流擾動(dòng)就會(huì)使最終落點(diǎn)水平偏移幾十米量級，這對于線距僅百米、單根串列安裝誤差需控制在米級的中微子望遠(yuǎn)鏡來說，難以滿足需求。更重要的是，望遠(yuǎn)鏡串列是包含若干hDOM、光電復(fù)合纜和承力纜的復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方式難以在下沉過程中避免光學(xué)球艙之間的碰撞及線纜之間的纏繞，而部署過程中任何結(jié)構(gòu)性損傷都有可能直接轉(zhuǎn)化為探測單元的永久失效。

圍繞上述工程瓶頸，2020年以來，海鈴團(tuán)隊(duì)在如何進(jìn)行深海精準(zhǔn)布放方面進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)和設(shè)備迭代工作。經(jīng)過多年研發(fā)，海鈴團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了以“蜘蛛”系統(tǒng)（SPIDER?subsea precision instrument deployer with elastic releasing，深海精密儀器柔性布放裝置，圖9）為核心的整體布放技術(shù)路徑。“蜘蛛”系統(tǒng)利用可擴(kuò)展的卷筒結(jié)構(gòu)，以“水車式”集成方式對光學(xué)球艙和線纜進(jìn)行集裝，使得在具體施工時(shí)可以將整個(gè)卷筒結(jié)構(gòu)先放置于海床預(yù)定位置后，再對串列進(jìn)行釋放展開，以實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡串列在深海精準(zhǔn)布放的目的。

圖9 海鈴“蜘蛛”系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案迭代過程

2025年8月，海鈴團(tuán)隊(duì)成功在南海完成了“蜘蛛”多次全流程海試（圖10）。海試結(jié)果表明，搭載20只hDOM模型的全尺寸“蜘蛛”樣機(jī)在近底懸停、釋放、上浮展開及整纜張力控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)均運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)測上浮速度與模型預(yù)測一致，球艙姿態(tài)保持良好，動(dòng)態(tài)加速度處于精密儀器安全范圍內(nèi)，首次驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠在真實(shí)深海環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高幾何精度、低風(fēng)險(xiǎn)的整體布放。這一技術(shù)的突破，成功解決了超長柔性潛標(biāo)在深海復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下的姿態(tài)控制難題，確保了中微子望遠(yuǎn)鏡串列在布放、展開過程中的安全與精準(zhǔn)，也為深海中微子望遠(yuǎn)鏡從設(shè)計(jì)藍(lán)圖走向現(xiàn)實(shí)奠定了堅(jiān)實(shí)的工程基礎(chǔ)。

圖10 海鈴“蜘蛛”系統(tǒng)海試

“蜘蛛”成功研制確保了海鈴在望遠(yuǎn)鏡深海組網(wǎng)方面得以采用以海底接駁盒為核心的分布式組網(wǎng)方案。方案計(jì)劃每根垂直探測串列在完成精準(zhǔn)布放并穩(wěn)定展開后，在水下機(jī)器人的牽引下通過水下濕插拔與指定接駁盒實(shí)現(xiàn)連接，并由水下接駁盒完成供電分配、信號(hào)匯聚與鏈路管理，再通過主干海底電纜接入整體水下供電與通信網(wǎng)絡(luò)，并最終與岸基站點(diǎn)相連。這種分層式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效避免了長距離點(diǎn)對點(diǎn)直連所帶來的布線復(fù)雜性和施工風(fēng)險(xiǎn)，使陣列在百米量級的間距下仍能保持清晰、可控的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖11）。

圖11 海鈴水下潛標(biāo)串列組網(wǎng)示意

3 國際同類項(xiàng)目對比

海鈴的建設(shè)采用分階段實(shí)施、邊運(yùn)行邊擴(kuò)展的發(fā)展路徑。在早期階段即具備完整的探測與運(yùn)行能力，并同步開展科學(xué)觀測與關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。這一發(fā)展模式符合國際大型中微子望遠(yuǎn)鏡的普遍建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，即通過分期實(shí)施，在持續(xù)產(chǎn)出科學(xué)成果的同時(shí)逐步提升探測規(guī)模與整體性能。如圖12所示，全球同類中微子望遠(yuǎn)鏡聚焦于TeV–PeV能區(qū)，以天體中微子源的系統(tǒng)搜尋與批量發(fā)現(xiàn)為核心目標(biāo)，旨在確切解答宇宙射線起源等重大科學(xué)問題。

圖12 全球中微子望遠(yuǎn)鏡建設(shè)時(shí)間線

在上海交通大學(xué)支持下，海鈴一期項(xiàng)目已于2022年12月啟動(dòng)，旨在完成核心技術(shù)研發(fā)攻堅(jiān)。迄今，已逐步開展并突破hDOM、望遠(yuǎn)鏡串列集成、多節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步、多節(jié)點(diǎn)聲學(xué)定位、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、柔性串列布放載具及深海組網(wǎng)策略等關(guān)鍵技術(shù)，具備全面工程化推進(jìn)條件。當(dāng)下，團(tuán)隊(duì)正在推進(jìn)海鈴二期項(xiàng)目，擬于“十五五”期間在海鈴盆地部署百根望遠(yuǎn)鏡串列，監(jiān)控水體約1 km3，探測靈敏度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

科學(xué)上以發(fā)現(xiàn)天體中微子源、確切解答宇宙射線起源為目標(biāo)（對南天點(diǎn)源靈敏度較IceCube提升3個(gè)數(shù)量級以上，有望率先發(fā)現(xiàn)南天中微子源）；同時(shí)，二期將顯著提升對3種味道中微子的探測效率，在宇宙尺度上精確檢驗(yàn)中微子振蕩性質(zhì)并尋找超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理信號(hào)；利用大氣中微子測量地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)；開展核塌縮超新星監(jiān)測。二期還將與全球多個(gè)望遠(yuǎn)鏡形成協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，開展多信使聯(lián)合觀測，深入探索極端宇宙。

在工程與技術(shù)方面，二期將完成海底密集陣列精準(zhǔn)布放與組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)攻堅(jiān)，掌握深海遠(yuǎn)程大功率供電與大帶寬通信等核心技術(shù)，形成在中國海域建設(shè)和長期運(yùn)行立方千米級深海中微子望遠(yuǎn)鏡的完整工程技術(shù)體系，完成在中國海域建設(shè)、運(yùn)行深海中微子望遠(yuǎn)鏡的全鏈條技術(shù)驗(yàn)證。

未來的海鈴三期將布局千根串列，覆蓋水體約10 km3，探測靈敏度達(dá)國際領(lǐng)先水平，在角度與能量分辨率、中微子探測效率等方面實(shí)現(xiàn)數(shù)量級提升，在全天區(qū)點(diǎn)源搜尋和中微子味道分辨能力上形成國際引領(lǐng)優(yōu)勢，持續(xù)產(chǎn)出重大原創(chuàng)科學(xué)成果。在推進(jìn)建設(shè)海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡過程中，同步發(fā)起國際大科學(xué)計(jì)劃，顯著提升中國在中微子多信使天文學(xué)領(lǐng)域的國際影響力。

3.1 臺(tái)址對比

中微子望遠(yuǎn)鏡通過探測中微子相互作用產(chǎn)生的切倫科夫光重建事例能量與方向，對探測介質(zhì)的體積和光學(xué)性質(zhì)有嚴(yán)格要求。在自然環(huán)境中，能夠支撐立方千米級中微子望遠(yuǎn)鏡的介質(zhì)主要限于2類：極地深冰和深水水體。目前已建成或主要規(guī)劃中的大型中微子望遠(yuǎn)鏡在全球的空間分布如圖13所示，不同臺(tái)址方案的環(huán)境條件與觀測特性對比如表1所示。

圖13 全球中微子望遠(yuǎn)鏡布局

表1 全球中微子望遠(yuǎn)鏡選址比較

在深冰方案中，IceCube在南極冰蓋1450~2450 m深度范圍內(nèi)部署了86根探測串列、共5160個(gè)光學(xué)球艙，是目前世界上體量最大的中微子望遠(yuǎn)鏡。南極深冰在可見光波段具有較長的吸收長度，但散射長度較短，且隨深度變化顯著；冰體內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)和各向異性進(jìn)一步增加了光子傳播的不確定性，對角分辨率的持續(xù)提升形成制約。此外，受地理位置限制，IceCube對南天區(qū)的觀測需在強(qiáng)宇宙線繆子本底下進(jìn)行，其靈敏度相較北天區(qū)降低約2~3個(gè)數(shù)量級。

深水方案包括深湖和深海2類臺(tái)址。深湖環(huán)境中，貝加爾湖是目前唯一具備建設(shè)大體積中微子望遠(yuǎn)鏡條件的淡水湖泊，其最大水深約1642 m，Baikal?GVD的探測單元布設(shè)在700~1300 m深度。然而，深湖水體中由季節(jié)性生物活動(dòng)引起的自發(fā)發(fā)光噪聲可達(dá)100kHz量級，對低能信號(hào)探測構(gòu)成顯著限制。相比之下，深海雖然有放射性同位素K40成為主要本底，但其在可利用水深和空間可拓展性方面更具優(yōu)勢。KM3NeT?ARCA正在地中海約3500 m深度部署，P?ONE計(jì)劃在北太平洋Cascadia盆地約2660 m深度建設(shè)立方千米級陣列。

海鈴盆地不僅滿足大體積、介質(zhì)透明等基本環(huán)境要求，還由于其近赤道的獨(dú)特地理特征，使得海鈴?fù)h(yuǎn)鏡能夠?qū)崿F(xiàn)全靈敏度巡天，有效覆蓋IceCube在南天區(qū)的觀測弱區(qū)，并與北半球中高緯望遠(yuǎn)鏡形成互補(bǔ)，在全球中微子觀測網(wǎng)絡(luò)布局中具有不可替代的視場價(jià)值。

3.2 探測器對比

盡管在工程實(shí)現(xiàn)和建設(shè)成本上相較上一代單PMT方案更為復(fù)雜，近年來國際上新一代中微子望遠(yuǎn)鏡在基本核心探測球艙的設(shè)計(jì)上，仍普遍由單一大PMT轉(zhuǎn)向多PMT結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)路線的轉(zhuǎn)變源于對探測器性能持續(xù)提升的需求。相較于單一探測器件，多PMT球艙能夠從多個(gè)方向同時(shí)記錄光信號(hào)，在時(shí)間精度、方向判斷和信號(hào)可靠性等方面具有明顯優(yōu)勢。

在陣列規(guī)模的設(shè)計(jì)方面，單純追求幾何體量的擴(kuò)大存在明顯局限。在探測球艙數(shù)量固定的前提下，僅通過拉大串列間距來“做大體積”，并不能等比例提升探測器的有效探測能力。模擬研究表明，過于稀疏的陣列布局會(huì)削弱對中、低能中微子的探測效率，并顯著抬高探測能閾，同時(shí)也會(huì)因采樣信息不足而降低高能事件的重建精度。

為緩解上述問題，Baikal?GVD、P?ONE等項(xiàng)目采用了在局部區(qū)域內(nèi)提高探測球艙密度，在整體尺度上保持較大間距的簇狀布局。該方案在工程實(shí)施上具有一定的便利性，其模塊化布局有利于深海環(huán)境中分步建設(shè)與維護(hù)。然而，模擬結(jié)果顯示，簇間大尺度空隙會(huì)導(dǎo)致部分中微子事件無法被有效觸發(fā)，不連續(xù)的空間采樣也會(huì)顯著削弱對高能事件的重建能力和精度。同時(shí)，分散的簇結(jié)構(gòu)增加了陣列邊緣區(qū)域的占比，使得發(fā)生在簇邊界附近的事件更易受到采樣不完整的影響，從而降低重建質(zhì)量，大幅削弱徑跡型與簇射型事件的區(qū)分能力。

總體來看，盡管簇狀布局在幾何上覆蓋更大空間，其綜合探測能力反而大打折扣。相比之下，更均勻的陣列布局在空間采樣連續(xù)性和整體重建穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更為穩(wěn)健，更有利于在寬能區(qū)范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度定位、能量測量和中微子味識(shí)別等多樣化物理目標(biāo)。

4 開放共享

4.1 國內(nèi)用戶

作為一項(xiàng)面向前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題的大型、長期穩(wěn)定運(yùn)行的深海精密觀測設(shè)施，海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡陣列除核心光電探測器件外，還集成高精度聲學(xué)定位、溫鹽深、流速流向、姿態(tài)與張力監(jiān)測以及環(huán)境噪聲與背景光監(jiān)測等多類傳感器，用于實(shí)時(shí)標(biāo)定與保障動(dòng)態(tài)望遠(yuǎn)鏡綜合性能相關(guān)的物理參數(shù)，并同步獲取深海環(huán)境與工程運(yùn)行的長期連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

依托上述多傳感器協(xié)同觀測數(shù)據(jù)，海鈴在支撐高能中微子天文學(xué)和粒子物理研究的同時(shí)，也面向海洋科學(xué)、地球物理、地球化學(xué)及信息科學(xué)等相關(guān)學(xué)科開放，提供覆蓋光學(xué)、聲學(xué)與環(huán)境參數(shù)的高精度、長時(shí)標(biāo)深海原位觀測數(shù)據(jù)，為深海環(huán)境長期連續(xù)監(jiān)測、地震與聲場結(jié)構(gòu)、生物發(fā)光特性及相關(guān)工程過程研究，以及“透明海洋”和“智慧海洋”體系建設(shè)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

4.2 國際合作

在開放運(yùn)行與國際合作方面，海鈴在建設(shè)與運(yùn)行階段同步建立規(guī)范化的數(shù)據(jù)管理與共享體系，逐步向國內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)提供標(biāo)準(zhǔn)化觀測數(shù)據(jù)與分析接口，支撐圍繞宇宙線起源、瞬態(tài)中微子源及暗物質(zhì)相關(guān)信號(hào)的聯(lián)合觀測與協(xié)同分析。

在國際層面，海鈴作為低緯深海中微子望遠(yuǎn)鏡，融入以IceCube、KM3NeT、Baikal?GVD和P?ONE等為代表的全球中微子觀測網(wǎng)絡(luò)，通過觀測策略協(xié)調(diào)、事件觸發(fā)共享和聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建覆蓋全天區(qū)的多信使觀測體系，為宇宙線起源研究、新型輻射/產(chǎn)能機(jī)制判別以及極端宇宙深層規(guī)律探索提供全球尺度的數(shù)據(jù)支撐。

5 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

深海中微子望遠(yuǎn)鏡作為面向基礎(chǔ)前沿的重大科學(xué)裝置，其建設(shè)與運(yùn)行不僅服務(wù)于中微子天文學(xué)和基礎(chǔ)物理研究本身，也將在科技創(chuàng)新體系建設(shè)、深海工程能力提升以及國際科技合作等方面產(chǎn)生顯著的綜合效益。

從科學(xué)前沿看，深海中微子望遠(yuǎn)鏡的核心科學(xué)目標(biāo)緊緊圍繞《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》中“極端宇宙”主題下關(guān)于宇宙高能輻射來源、暗物質(zhì)本質(zhì)及暫現(xiàn)源物理機(jī)制等重大科學(xué)問題。海鈴以高能中微子為核心觀測信使，能夠在黑洞環(huán)境、強(qiáng)子加速過程與宇宙高能粒子起源等研究中提供區(qū)別于電磁和引力波觀測的獨(dú)立物理約束，是中國構(gòu)建多信使天文學(xué)觀測體系的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

從科技層面看，該裝置對高靈敏光電探測、深海供能與通信、精密布放與長期穩(wěn)定運(yùn)行等關(guān)鍵技術(shù)提出了系統(tǒng)性需求，將直接帶動(dòng)深海光電器件、耐壓材料、海底連接器、智能化數(shù)據(jù)采集與處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)科研成果向工程應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，形成持續(xù)的技術(shù)外溢效應(yīng)。

在社會(huì)效益與國家戰(zhàn)略層面，深海中微子望遠(yuǎn)鏡依托中國低緯深海海域建設(shè)，具有鮮明的開放性和國際合作屬性。習(xí)近平總書記指出，要“共同維護(hù)南海穩(wěn)定，把南海建成和平之海、友誼之海、合作之海”。以開放共享的大科學(xué)裝置為載體，在南海開展國際前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，有助于以科學(xué)合作的方式增進(jìn)國際互信，拓展中國在海洋科技領(lǐng)域的國際合作空間，為南海區(qū)域的長期穩(wěn)定與合作注入新的科技內(nèi)涵。同時(shí)，深海中微子望遠(yuǎn)鏡作為長期穩(wěn)定運(yùn)行的深海綜合觀測基礎(chǔ)設(shè)施，可持續(xù)獲取海水光學(xué)性質(zhì)、聲學(xué)背景、環(huán)境本底輻射與生物發(fā)光等多參量數(shù)據(jù)，為深海環(huán)境演化、聲場結(jié)構(gòu)、地震活動(dòng)與工程穩(wěn)定性研究提供連續(xù)原位觀測支撐，是“透明海洋”和“智慧海洋”體系中面向深海空間的重要數(shù)據(jù)來源。

6 結(jié)論

高能中微子天文學(xué)正處在由“首次發(fā)現(xiàn)”邁向“精確測量與系統(tǒng)研究”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折階段。IceCube成功探測到了高能天體中微子，開辟了中微子天文學(xué)的新紀(jì)元，然而當(dāng)代中微子望遠(yuǎn)鏡的有限探測能力還難以實(shí)現(xiàn)對中微子天體源的批量確認(rèn)、對復(fù)雜輻射機(jī)制的深入刻畫，以及對新物理效應(yīng)的精密檢驗(yàn)。未來中微子天文學(xué)的發(fā)展迫切需要在角分辨率、味道鑒別能力，以及全天區(qū)覆蓋等方面實(shí)現(xiàn)探測靈敏度系統(tǒng)性提升。

海鈴深海中微子望遠(yuǎn)鏡正是在這一科學(xué)背景下提出的。依托低緯深海臺(tái)址在觀測視場上的天然優(yōu)勢，以及深海水體在光學(xué)均勻性和散射特性方面相較南極冰川的顯著優(yōu)越性，海鈴在高角分辨率、陶中微子識(shí)別和精確味比測量等關(guān)鍵能力上具有清晰而獨(dú)特的技術(shù)定位，在全球多信使觀測網(wǎng)絡(luò)中形成不可替代的互補(bǔ)作用。

從科學(xué)目標(biāo)到技術(shù)路線，海鈴強(qiáng)調(diào)以物理問題牽引探測器設(shè)計(jì)，在陣列布局、探測球艙和深海工程實(shí)現(xiàn)等方面形成了一整套具有原創(chuàng)性的解決方案。其建設(shè)不僅有望顯著提升中國在高能中微子天文學(xué)和多信使天文學(xué)中的國際影響力，也將在深海探測、精密光電、海底組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)方向上形成持續(xù)的能力積累，為相關(guān)領(lǐng)域的長期發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

總體而言，海鈴中微子望遠(yuǎn)鏡是一項(xiàng)兼具明確科學(xué)指向與現(xiàn)實(shí)可行性的深海大科學(xué)裝置。其實(shí)施將使中國在全球中微子天文學(xué)格局中占據(jù)一個(gè)具有獨(dú)特物理價(jià)值的位置，并為揭示宇宙中最極端天體過程、探索超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供長期而穩(wěn)定的觀測平臺(tái)。在中微子天文學(xué)邁入精確時(shí)代的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，建議國家在“十五五”期間啟動(dòng)并穩(wěn)步推進(jìn)“海鈴計(jì)劃”，搶占中微子天文學(xué)重大突破的先機(jī)，填補(bǔ)中國實(shí)測中微子天文學(xué)的空白，實(shí)現(xiàn)從起跑到跟跑，甚至領(lǐng)跑的跨越。

本文作者：徐東蓮，景益鵬，田新亮，梅華林，向昕，林忠欽，李家彪，周朦

作者簡介：徐東蓮，上海交通大學(xué)李政道研究所&物理與天文學(xué)院，暗物質(zhì)物理全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)海南研究院，副教授，研究方向?yàn)橹形⒆犹煳膶W(xué)、實(shí)驗(yàn)中微子物理學(xué)、多信使天文學(xué)等。

文章來 源 ：徐東蓮, 景益鵬, 田新亮, 等. 深海中微子望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)機(jī)遇與中國布局——依托“海鈴計(jì)劃”邁向高能中微子天文學(xué)的精確時(shí)代[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(3):81?94 .

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