水下千米建大型望远镜！中国科学家有个大胆计划
转自：中国科学报
文｜《中国科学报》记者倪思洁
继在海拔4410米建设高海拔宇宙线观测站（LHAASO），并发现银河系内存在大量“高能宇宙加速器”后，如今中国科学家又将目光投向了海拔负几千米的深海或深湖。
近日，记者从中科院高能物理研究所（以下简称高能所）获悉，LHAASO的科学研究团队正在酝酿一个新的计划——将30立方公里规模的巨大探测器阵列，放到水深千米以下的海底或湖底。该计划名为高能水下中微子望远镜，以期从深水中遥望深空，解开宇宙线起源的“世纪之谜”。
对于这一计划的来龙去脉、现状和难点，《中国科学报》独家专访了高能水下中微子望远镜计划负责人、高能所研究员陈明君。
瞄准宇宙线起源的“世纪之谜”
《中国科学报》：高能水下中微子望远镜计划目前处于什么阶段？
陈明君：目前处在预研阶段，正在开展探测器性能预期、方案设计、单元探测器样机研制、部分关键设备研制以及水下工程调研等工作，高能所团队还凝聚了所外多家单位参与联合攻关。
《中国科学报》：科学家为什么要建这个望远镜？
陈明君：早在2017年，LHAASO项目首席科学家、高能所研究员曹臻就提出了高能水下中微子望远镜的设想，期望通过对高能中微子的探测彻底解开宇宙线起源的百年未解之谜。
2021年年中，LHAASO研究团队在《自然》和《科学》上连续发布重大成果，发现在银河系内存在大量超高能伽马射线源。
不过，国内外科学家一直在努力寻找各种证据，确认这些超高能伽马射线源就是宇宙线起源。而宇宙线起源是一个十分前沿的科学问题，是探索宇宙及其演化过程中神秘未知世界的金钥匙。高能宇宙线的起源问题至今未解，被称为“世纪之谜”。
目前，对于超高能伽马射线的起源，大家有两种推测，一种是强子起源，即宇宙线被加速后与天体源附近的物质发生碰撞，产生中性π介子，随后寿命很短的中性π介子衰变产生伽马射线，这个碰撞会伴生高能中微子；另一种是轻子起源，即认为超高能伽马射线产生于高能电子，这个源不是宇宙线起源，其特征是不产生中微子。
已经有一些研究证据暗示了强子起源的可能性，而高能中微子的探测正好可以作为宇宙线起源的判断依据。中微子与伽马光子都是不带电的，可以用其到达的方向反指到产生这两种粒子的宇宙线起源位置，再加上超高能伽马射线的观测，有望彻底解开宇宙线起源之谜。
在千米深的水底穿2300根“串”
《中国科学报》：据说望远镜计划建在千米以下的水底。为什么要在水下建望远镜阵列？
陈明君：高能水下中微子望远镜瞄准的是探测能量在百TeV（万亿电子伏特）以上的中微子。建到水下主要是因为中微子在水里穿越的过程中会与原子核碰撞产生次级粒子，带电次级粒子会发出光信号，而这些光信号可以被布置在水体中的探测器捕捉到。
那么，为什么要建在千米以下的水底呢？主要原因有两个。第一，深水可屏蔽日光，约500米深的水下是完全黑暗的，在这种环境里，探测器才可以白天黑夜无差别地有效捕捉有用的光信号；第二，在千米以下，水体中基本没有鱼类和微生物，水非常干净，有利于光信号的传输，增加中微子信号被探测到的概率。
《中国科学报》：目前国际上是否有类似项目？高能水下中微子望远镜与这些项目相比有什么不同？
陈明君：国际上已有类似的项目，正在运行的主要有两个。在南极，有美国主导的冰立方中微子天文台（IceCube）；在贝加尔湖，有目前北半球最大的深水中微子望远镜（Baikal-GVD）。
冰立方建在南极的冰体里，由86根装备了探测器的电缆组成，这些电缆一头连在地表实验室中，另一头从冰洞向下延伸至地下2.5公里的深度。该天文台耗资2.8亿美元建成，探测器阵列达到1立方公里，目前他们正在计划扩大阵列规模。
深水中微子望远镜，建在贝加尔湖水深750米至1300米的位置，探测器阵列只有0.5立方公里，计划扩大到1立方公里。
根据冰立方、深水中微子望远镜以及LHAASO等实验的观测结果，可以估算出超高能伽马射线伴生的高能中微子流强。由此得出一个结论，即如果要在几年内有效地观测确认一个超高能伽马射线源是否为高能中微子源，从而确认宇宙线起源，至少需要30立方公里以上的有效探测体积。所以，高能水下中微子望远镜就设计为水下一个30立方公里的探测器立体阵列。
《中国科学报》：你们打算怎么在水下建起这个巨大的阵列？
陈明君：我们计划用线缆将探测器设备穿成串，然后排列成阵，这也是国际上已经实践过的做法。为了增强探测器单元体的探测能力，从而降低整个探测阵列的造价，我们设计在单元探测器里放置探测能力强大的20英寸光电倍增管，用来将微弱的光信号转变成电信号。每24个光电倍增管将被穿成一串，每串长860米，底端固定在海底或湖底。整个探测器阵列将有2300串，串与串间隔130米，可以覆盖36平方公里。
工程挑战需逐一克服
《中国科学报》：听说2月初你们在南海西沙海域完成了首次深海测试工作，主要做了些什么？
陈明君：2月9日至14日，我们开展了首次海试。按实验计划，我们将5个玻璃舱仪器放到了1800米深的水下，对探测器系统开展了各项指标的检验，尤其是防水耐压性能的检验。经过两天的连续测量，我们记录了大量人工信号和环境背景信号，在不同深度下进行了低本底伽马辐射原位测量，获得了用于优化探测设计的重要一手资料。我们还实地验证了4套玻璃舱装置的防水封装工艺，并完成了国产化23英寸玻璃舱样品的耐压测试，同时还检验了长距离LED时间刻度系统的性能。
《中国科学报》：在选址的时候，会考虑哪些因素？
陈明君：目前，我们在选址方面还没有投入太多力量。
选址主要考虑的是建设成本和实现的难易程度。超过1300米深度的水体主要都在海里，陆地上只有俄罗斯的贝加尔湖。它是世界上最深的湖，最深处达到1600米，湖底平坦，近百平方公里内的湖底高程差不超过1米。它也是非常干净的湖，水吸收长度大于20米，比家用自来水要透明得多。那里还有一个独一无二的优点——每年2至4月，湖面结冰1米以上，可以在冰面上直接进行探测器投放工作，这与在气候条件变幻莫测且波涛汹涌的海面上的投放相比，将极大减少探测器的造价。
另外，我国南海有许多水深3000米且海床平坦的可选站址，其中距离岛屿最近的大约150公里，面临供电、数据传输、深海作业等诸多挑战。
《中国科学报》：如果这个望远镜阵列建成了，在周围多大范围内不能有人类活动的干扰？
陈明君：人类日常活动几乎不能到达水下500米，这个望远镜阵列基本不会受到人类活动干扰。
《中国科学报》：在水下建望远镜会面临怎样的工程挑战？
陈明君：我们研究组在高原一线做宇宙线实验已经超过40年，现有团队成员都经历了LHAASO的建设过程，是一支不惧艰难、敢于挑战、执行力很强的队伍。
对于水下作业，我们预计遇到的困难会比高原上多。第一是探测器研发，每个设备都必须满足千米深水下防水、耐压的要求，这和我们现有几米或几十米的水下设备的研发区别很大。第二是海上工程作业将面临巨大的挑战。第三是高昂的作业成本，比如租船费、水下无人机设备和作业费用等。第四是缺乏必要的基础设施条件，供电就是设备建设和运行面临的挑战之一。这些都需要我们逐一去克服。
《中国科学报》(2023-03-15第4版综合原标题为《从深水中遥望深空 求解宇宙线“身世”》)