天问丨揭秘水下“拉索”阵：把5万多个探测器投入2000米水底

封面新闻记者 张峥 边雪

把50000多个跟脸盆差不多大的“探测器”投入2000多米深的水底，组成一个几十平方公里的阵列，来捕捉宇宙射线微弱的信号。今年2月，中科院高能物理所“拉索”团队在南海开启了深海探测宇宙线的第一步。

揭开宇宙线起源之谜，除了在4410米的稻城建立高海拔宇宙线观测站并加强其空间分辨率，到南半球安第斯山脉建更大的拉索，观测更广阔的的天区，还有一种方式，就是到没有干扰、洁净的海底或湖底捕捉更多的宇宙线信号。这是由拉索首席科学家曹臻为团队未来规划的宇宙线观测的三个方向。

日前，第三个方向的预研已经启动。科学家们计划把50000多个世界上最大的光电倍增管组成一串串巨大的“葫芦串”，投入深海海底，在水介质中探测中微子发出的微弱的光。“我们试图在南海或者贝加尔湖冰面下，安装一个几十平方公里的探测器阵列，去实现科学家们一百多年来探测宇宙线起源的梦想。”如何在海底放置水中探测器装置？装置如何防水？如何确保装置在深海海底不被压碎？3月15日，“拉索”首席科学家曹臻在成都接受了封面新闻专访。

曹臻

把巨型“葫芦串”投入南海深处

光电倍增管（PMT）是宇宙线探测最基本的设备。宇宙线到达空气中所产生的信号，最终都会以光的形式被接收下来，再通过光阴极把光子转换成电子，最终变成可测量和记录的信号。在4410米的稻城海子山上的拉索装置，已经使用到了由我国自主研发的20英寸光电倍增管，它的形状和大小就像一个橘色的巨型“灯泡”。这些巨型“灯泡”状探测器被投放到了7.8万平方米的水切伦科夫探测装置内，但是水深只有5米左右。

像巨型灯泡一样的光电倍增管

按照曹臻给拉索团队提出的第三种探测宇宙线的思路：到海底或湖底，捕捉来自宇宙线源极其稀少的信号。实现这一思路，需要在海底投入多少个这样的“灯泡”？答案是50000多个。“我们的设想是，把这些光电倍增器串成串，一串一串地投入海底，然后组成一个几十公里的阵列，相比起来，稻城拉索占地面积只有1平方公里多。”曹臻告诉记者。

今年2月，拉索团队就在南海开启了深海试验。科学家们将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。

为什么要选择数千米以下的海底？一是中微子探测“需要一个巨大的透明的物体作为探测介质。”深水的黑暗环境中，探测器可以全天候捕捉信号；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。

世界首创：给探测器装上“金钟罩”

“你可以想象，我们现在才实现了5米深的水下观测。”曹臻以稻城拉索举例，“在5米深的水下，光电倍增管可以直接扔到水里，水的压力不会破坏它。但是把它扔到1000米深的水下时，它就被压碎了。”如何让探测器承受来自深海的水压，还要让光能够透进来？团队与国内有经验的企业合作在全球首次做成了一个这么大的玻璃球舱，给探测器装上了一个防水又抗压的“金钟罩”。

“一方面要找好的玻璃，让它透光透得很好，同时还要耐压。”这个玻璃球样品，就是在成都天府宇宙线中心的实验室里完成测试的。“一个能够把探测器装进去的巨大的球，在国际上从来没有人做过。”球做好后，还要进行模拟抗压实验，“我们模拟到了2500米深的水压”。经过这些测试之后，团队就把这个球拿到南海，这次投放到了1800米深。

“下一步，我们就要把探测器装进去，再放到深海里做实验。”那么，探测器如何防水呢？曹臻说，“很简单，玻璃球舱就是两个半球，这两个半球做好了之后，把他们放在一起，如果表面做得接触很紧密的话，放入海底就会自动压紧，而且越压越紧。”

未来，到贝加尔湖做实验

海上作业要依靠精密的科考船。这种科考船有自动回位装置，使得船体在海中能够保持在一个相对精准的位置。但是也有一个不太稳定的因素，受到海浪等因素的影响，投放仪器的位置不一定能够准确。团队知道一个已经在实施的“通常”做法是“先把这个东西扔下去，然后再派水下机器人下去操作，但是这种办法极其昂贵，”曹臻告诉封面新闻记者，“一次作业，投放一串探测器下去，国际上的报价要9万欧元。”“我们这次出海，就是要去摸第一手的资料，和有深海探测经验的人去合作、学习。然后优化各种方案与选址。”

最好能找到一个简单的办法，把探测器准确地投放到想要投放的地方去。有没有不晃动的水面？结冰的贝加尔湖可能是另一个选择。“我们争取在明年，拿着这样一串探测器，到贝加尔湖去做实验。”曹臻表示。

“找到简单的投放方式、并且不花费太高的代价，这是我们未来研究的一个重要课题。”稻城拉索建设的时候，曹臻一年三分之一时间在稻城、三分之一时间在北京、三分之一时间在成都。现在，他一半时间都呆在了成都。刚刚建成的天府宇宙线中心，成了拉索合作组织的大本营，“我们要在这里开国际研讨会，在这里试验、组装各种探测器装置……”

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