科研动态 | 我国深海中微子探测技术取得重大进展——柔性潜标精密布放装置“蜘蛛系统”成功完成海试

2026-04-11

 

 

TRIDENT

 

 

https://trident.sjtu.edu.cn/cn

01

寻踪宇宙中的“幽灵信使”

 

在人类探索宇宙的进程中,传统观测手段主要依赖电磁辐射;但在极端致密的天体环境中,高能光子易被吸收而无法逃逸,导致探索陷入瓶颈。天体中微子的发现,为人类打开了观测宇宙的新窗口。

 

中微子是宇宙中的特殊 “信使,因不带电且质量近乎为零,与物质的相互作用极弱 —— 这既导致其探测难度极高,也赋予其极强的穿透能力:能从致密天体环境中逃逸,且在穿越天文尺度距离时不被星际磁场偏转。根据产生源的差异,中微子可分为大爆炸遗迹中微子、太阳中微子、反应堆中微子、大气中微子、高能天体中微子等类别。其中,源于太阳、超新星爆发或核反应堆的中微子,能量通常相对较低但可捕获数量较可观,主要用于研究中微子基本性质、恒星演化机制,以及探究中微子在早期宇宙演化中的关键作用;而天体来源的高能中微子,通常由宇宙射线与物质或辐射场相互作用产生,与极端宇宙事件紧密相关,是破解宇宙射线起源谜题、探索极端天体物理过程的关键手段。

 

中微子能量越高,其通量通常越低,所需探测器体积也越大。因此,捕捉高能天体中微子需建设立方公里级的大型探测装置。位于南极极点冰层下 2500 米处的冰立方(IceCube)望远镜,是目前全球最大的中微子望远镜,探测体积达 1 km³。2013 年,IceCube 首次观测到弥散的宇宙高能中微子,但无明确天体指向性;2017 年,其发现了 40 亿光年外处于喷发状态的耀变体 TXS0506+056 辐射高能中微子的初步证据,标志着中微子天文学进入新阶段。2022 年,IceCube 对活动星系 NGC1068 近 10 年的累积观测结果显示,统计显著性达到 4.2σ,获得人类历史上首个活跃星系辐射中微子的有力证据,为揭开高能宇宙射线起源之谜提供了突破口。2023 年,尚处于建设阶段的地中海中微子望远镜 KM3NeT,报告了迄今观测到的最高能量中微子事件(能量达 220 PeV),揭示出极端宇宙中可能存在新的能量机制与加速规律。

 

然而截至目前,全球所有中微子望远镜对高能天体中微子源的观测,尚未达到粒子物理实验中 “发现” 所要求的 5σ 统计显著性。KM3NeT 观测到的超高能中微子事件,亦使人类认识到极端宇宙中存在更广阔的未知领域。要真正揭开这些谜团,需研发更灵敏的探测器、构建更大的监测体积,并获取更高数量级的中微子统计样本。

 

 


02

“海铃”摇响:于万顷碧波之下仰望星辰

 

在中微子天文学正酝酿确切天体源发现重大突破的关键契机下,由上海交通大学牵头建设的下一代深海中微子望远镜 “海铃计划TRIDENT)正式启动。作为瞄准高能天体中微子的探测装置,海铃计划” 旨在与国际同行协同攻关,突破天体中微子探测的角度分辨率瓶颈,大幅提高全味天体中微子探测的统计量,从而快速精准锁定中微子源并深入探究其物理规律。

 

“海铃计划”的科学目标

通过设计更灵敏的探测器、构建更大的监测体积以提升中微子源探测效率,实现快速为天体中微子源确认提供确定性证据,并最终破解宇宙线起源这一百年未解之谜。同时,依托近赤道的区位优势,海铃有望成为国际首个兼具低纬度覆盖、全灵敏度巡天及长寿命运行能力的中微子望远镜,填补全球中微子探测网络在赤道区域的空白。

 

除天体中微子源发现这一核心使命外,海铃还将推进多项关键科学目标。其一,海铃将采用先进的波形读出技术与混合数字光学模块(hDOM),显著提升对电子中微子、缪中微子及陶中微子事件的鉴别能力。这使其能够在天文尺度基线上精确测量中微子振荡效应,为研究宇宙味物理、探索粒子物理中超越标准模型的新物理效应开辟全新窗口。

 

其二,依托更大的探测体积优势,海铃有望探测到比 IceCube  KM3NeT 能量更高、更稀有的中微子事件。这不仅将助力人类探索宇宙中最极端的天体加速器(如超大质量黑洞、伽马射线暴(GRBs)、潮汐瓦解事件(TDEs)等),还将为多信使天文学提供更丰富的联动观测机会与中微子信使数据支撑。通过与电磁波、引力波、宇宙射线观测网络的协同,海铃可实现实时预警及跨领域联动,为解析高能天体瞬变现象提供新突破口。

 

作为部署于深海的科学设施,海铃的建设还将推动交叉学科的深度融合发展。深海部署需攻克一系列技术难题,包括海洋环境长期监测、高精度光电探测、耐高压设备研发及超长寿命电子学系统研发等。这些技术突破不仅将服务于粒子物理与天体物理研究,还将为海洋科学、地球物理等领域的学科发展提供跨领域技术支撑与科学资源共享。

 

 

突破传统局限,树立新一代中微子探测标杆

海铃计划” 的先进性核心在于技术体系的主动创新,可针对性解决上一代中微子望远镜的诸多短板:

 

在核心探测单元方面,相较于上一代中微子望远镜(IceCubeBaikal-GVD)采用的单球舱单一光电器件技术方案,海铃项目组(以下简称 “项目组)为充分利用深海海水散射系数低的特性,原创研发 “混合型光电球舱(hDOM”—— 通过结合传统高光覆盖度的多通道光电倍增管(PMT)与现代快速时间响应的硅光电倍增管(SiPM)技术,可更精确测量中微子与海水相互作用激发的切伦科夫光子到达探测器的时间,从而显著提升望远镜的角度分辨率,实现对中微子天体源的更精准定位。此外,hDOM 表面的 50 余通道光探测器构成 “果蝇复眼” 式独特收光结构,不仅进一步提升单个探测单元的有效面积,还可通过本地相邻通道的信号关联读出与触发算法设计,高效抑制海水中的海量放射性噪声,使望远镜具备对超低能阈中微子的探测能力,例如 MeV 级超新星中微子(甚至核反应堆中微子)

 

 

在全味中微子探测方面,为解决现有中微子望远镜在电子中微子与陶中微子鉴别上的难题,项目组通过优化 PMT 信号波形读出方式与探测器几何排布,并充分利用 hDOM 独特的噪声抑制能力,重点突破天体陶中微子探测瓶颈,可实现全球同类设施中最高精度的 “全味中微子” 探测,为突破宇宙味物理前沿研究奠定基础。

 

 

在深海工程技术方面,项目组自主研制针对中微子望远镜串列水下精准施工布放的中微子探测潜标专用载具 —— 深海精密仪器柔性布放系统 “蜘蛛系统SPIDERSubsea Precision Instrument Deployer with Elastic Releasing)。目前,SPIDER 系统已完成多次湖试与海试,成功实现精准释放与姿态可控,突破大规模密集柔性串列的部署技术难题。

 

 


03

海铃大事记

“海铃计划”早期筹备与探索

2018

11月,首席科学家徐东莲获批国家海外高层次青年人才专项中微子天文学的研究,启动深海中微子望远镜的选址和探测器原型样机研发。

 

2020

08月,徐东莲代表海铃计划合作组在全国高能物理发展战略研讨会(青岛)上正式提出了深海中微子望远镜——“海铃计划的建设规划和行动计划。

 

2021

04月,为支撑海铃的深海选址工作,上海交通大学立项了重点前瞻布局“海铃探路者”项目。

06月,在时任上海交通大学校务委员会专职副主任吴旦、物理与天文学院院长景益鹏院士、海洋学院创院院长周朦、海洋学院副院长陶春辉等校院领导的共同见证下,海铃计划合作组正式成立。

 

 

09月,“海铃探路者”试验“T-REX 2021”实现选址科考的首航,为理想海域的确认奠定基础。

 

 

 

 

2022

01月,海铃团队获批国家自然科学基金面上项目通过中微子和多信使研究极端宇宙(徐东莲主持),启动高能天体中微子源搜寻的系统研究。

07月,海铃团队完成 “海铃探路者” 试验 “T-REX 2021” 的初步数据分析,验证候选海域具备流场平缓、原位水质高透明的特点,适合建设中微子望远镜;同时,以《Proposal for a neutrino telescope in South China Sea》为题撰写论文,投稿并发布于论文预印本网站 arXiv,引起国内外同行的强烈反响。

08月,海铃团队获批国家自然科学基金青年基金项目基于多源数据融合的深水中微子望远镜水下定位方法研究(魏汉迪主持),启动对探测球舱10cm级声学定位技术的系统开发。

10月,海铃团队获批上海科委大科学装置培育重大专项多波段中微子探测研究” (徐东莲主持),启动SPIDER的设计与模型验证,望远镜垂直动态缆集成与多节点水密可靠性、材料耐腐蚀性等核心技术攻坚。

12月,海铃团队获批科技部重点研发计划“大科学装置前沿(核反应堆监测)”青年科学家项目南海中微子望远镜(海铃计划)原型样机研发(徐东莲主持),启动hDOM的研制与望远镜原型样机集成。 

12月,在上海交通大学自筹经费支持下, “海铃一期”正式立项,旨在研制并在 “海铃盆地” 安装 10 根望远镜串列,实现对该纬度地球大气中微子流强的精确测量,完成在我国海域中微子望远镜建设的全链条技术验证。

 

2023

05月,海铃团队获海南省崖州湾科技城支持,启动海铃中微子实验室(海南)的建设。

10月,“海铃探路者”试验成果及望远镜概念设计以《A multi-cubic-kilometre neutrino telescope in the western Pacific Ocean》正式发表在《Nature Astronomy》,获得Phys.org、Universe Today 等学术网站,以及人民日报、新华社等 40 余家媒体的广泛报道。

11月,海铃团队获批国家自然基金委优秀青年科学基金项目(海外)“暗物质的实验研究”(向昕主持),启动利用深海中微子望远镜间接探测暗物质的研究。

12月,海铃团队获批科技部国家重点研发计划“海洋环境安全与岛礁可持续发展重点专项”项目“海洋中微子探测技术” (田新亮主持),启动深海低能中微子探测、台址水文环境长期研究、望远镜核心探测部件PMT效率优化、潜标动力学设计优化、深海环境监测、海底地质、深海组网施工等核心技术研发。

 

2024

08月,海铃团队获批国家优秀青年科学基金项目 “海洋工程实验科学 — 深海中微子实验潜标阵列流固耦合运动机理和高精度定位(田新亮主持),重点开展深海大型密集中微子探测潜标阵列的流体动力学与定位策略研究。

12月,海铃团队获批上海市科技创新行动计划高水平国际科技合作项目深海中微子望远镜性能与环境研究,与法国、英国、德国、意大利、日本、泰国建立正式合作,开展多信使天文、中微子鉴别快速算法、地中海海水光学性质的交叉验证、水中新型发光机制、中微子地球层析成像等方向的研究。

12月,海铃团队获批国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(自由申报类)深海中微子望远镜多目标刻度潜标的研(徐东莲主持),启动多目标刻度潜标的研制,集实现实时原位海水光学性质的刻度、声速剖面原位测量、水文环境实时监控等功能于一体,为深海中微子探测提供精确校准支持。

 

  海铃探测器研发进展

2022

07月,在“海铃探路者”试验成功的基础上,启动hDOM的球内机械结构的升级研发。

12月,启动hDOMSiPM读出系统的研发。

 

2023

03月,启动 hDOM 整体电子学读出系统的研发。

11月,通过大量的模拟计算,基本完成了“海铃一期”的设计方案,并开始筹划进一步确认“海铃盆地”的海域环境并对hDOM 相关技术进行验证的出海实验,命名为“T-REX2024”实验。同月,完成小型PMT测试平台的建设。

 

2024 

02月,完成hDOM刻度水槽建设,在实验室创造了模拟深海低温(2摄氏度)黑暗的环境。

03月,启动TRIDENT Explorer 2024(简称T-REX2024)探测潜标的研制,目标是在“海铃盆地”实海长期检验hDOM关键技术与海水透光率检测。

07月,利用压力筒完成关键耐压设备的抗压测试。同月,前往千岛湖进行水声定位系统的湖试,验证了水声测距算法。

10月,研制出4个含 7  PMT  hDOM 验证机,标志着核心探测单元的雏形正式诞生。

11-12月,海铃盆地成功布放 T-REX2024。这是一次关键性的海试,团队在3500米深海成功布放并长时标运行了中微子望远镜串列样机,对核心探测单元 hDOM 的机械结构、电子学系统和集成方案进行了全面检验。同时,实验首次测得了目标海域不同深度的大气缪子通量,为未来的本底研究提供了宝贵数据。

 

 

2025

03月,顺利回收 T-REX2024 深海实验串列,获得完整运行数据,进一步确认了海铃盆地作为望远镜建设台址的可行性。

 

 

 

 

 

07月,完成首套hDOM电子学板研制工作,实现对球内PMTSiPM的多通道高速采集和数据传输。

09月,成功制备出首个全功能hDOM。各项指标符合预期,并同步开启完善流水线装配流程。

 

中微子探测潜标布放专用载具SPIDER研发进展

2021

09月,首次采用滚卷式载具成功实现三个探测球舱的深海布放,支持探路者海试成功。

 

2023

09月,首次提出面向20个探测球舱连续布放的“水车”式集成方案。研制1:4模型样机并成功完成室内水池自由展开试验。

 

 

2025

03月,在千岛湖预定区域顺利完成布放装置SPIDER的首次水下测试,为后续深海布放测试奠定基础。

05月,

在预定海域顺利完成布放装置SPIDER的首次深海水下功能验证试验,部分验证了布放系统在深海进行串列展开和回收的能力。

08月,

再次前往预定海域开展两次SPIDER系统的布放测试。在使用不同的模型载荷的两次测试过程中,布放装置均严格按照预设程序实现稳定释放,搭载的串列结构在水下环境中顺利展开,其姿态控制精度与整体机械性能均达到预期指标。此次布放测试的成功标志着SPIDER系统基本通过实验验证,可以投入于海铃中微子望远镜串列的海下施工,为“海铃一期”的工程建设做好了准备。

 

 


04

“海铃计划”推进及一期进展

 

展望未来,海铃计划” 正稳步推进 “一阵二缆三基地” 总体规划,致力于建成全球领先的深海中微子望远镜。其中,海铃中微子实验室(海南)预计于 2025  10 月在三亚崖州湾完工,标志着 “海铃计划” 将迈入陆海协同的关键阶段。当前实施的 “海铃一期 聚焦 10 根探测串列的集成与测试,预计 2026 年完成深海安装;建成后,其有望成为国际首个近赤道小型中微子望远镜,实现对目标区域地球大气中微子的首次探测,全面验证我国深海大型中微子望远镜建设的关键技术,为后续项目推进奠定核心基础。在此基础上,海铃计划” 将持续推进阵列建设,最终建成 “海铃大阵列”—— 该阵列包含约1000 根探测串列,覆盖约 10 立方公里探测体积,可实现20-30 年全天候运行,灵敏度较现有中微子望远镜提升 10 倍以上,能高效捕获并精准定位全味高能天体中微子,进而确切解答宇宙射线起源的世纪之谜,并联动其他多信使设施深入探索极端宇宙。

 

 

海铃计划有望持续提升我国在中微子探测、深海精密技术与多信使天文联合分析等方面的能力,为国际高能物理与天体物理研究提供持续的数据贡献与设施支撑,助力中国在中微子和多信使天文学领域逐步迈向国际前沿。

 

 

“海铃计划”在 “海铃盆地” 的探测已迈出关键步伐,我们将持续分享这一征程中的关键突破与最新发现。敬请保持关注,共同见证如何于幽暗深海,捕捉来自浩瀚宇宙的讯息。

 


供稿 | 海铃合作组 

编辑 | 顾龚彦 

责任编辑 | 徐东莲