2024年4月24日中午，李政道学者、“海铃计划”首席科学家徐东莲教授来到致远书院明德书屋，为学子们分享“海铃计划”探索中微子的历程。李政道研究所党总支副书记李姝姝、致远学院党委副书记吴晓玲出席。活动由“致远一期”毕业生、自然科学研究院长聘教轨副教授张耀宇主持。

“交得其道，千里同好。固于胶漆，坚于金石。”致交·问道为同学们提供了一个接触科学最前沿的机会。

徐东莲教授首先对中微子的探索历史和可能的用途作了概述。从一百年前对放射性的研究，到β衰变的能量动量不守恒，再到1930年奥地利物理学家泡利提出中微子假说，以及1933年意大利物理学家费米提出的β衰变的定量理论，指出弱相互作用的存在性。在之后的人类历史中，对中微子的探索至少产生了4次诺贝尔物理学奖。

宇宙在大爆炸中诞生，迅速膨胀、逐渐冷却，38万年后光子从“宇宙粒子热汤”中解耦，成为自由光子，也就是今天探测到的宇宙微波背景辐射。通过光来直接观测宇宙，仅可追溯到大爆炸后的38万年，若能观测到大爆炸的遗迹中微子，则可直接追溯到大爆炸后的1秒钟，然而人类尚没有很好的手段探测宇宙初期的遗迹中微子。夸克的禁闭性质注定无法成为观测宇宙的信使，而带电粒子在宇宙中传播会与星际磁场作用发生方向偏转，捕捉到也无法指回源头。中微子不带电，只参与弱相互作用和引力作用，探测到可直接指回天体源，是探索遥远、极端宇宙新颖而理想的信使。

宇宙中大量的过程能产生高能光子，但只有强子化过程能产生高能中微子，因此探测高能天体中微子能够帮助人类理解宇宙中发生的极端物理现象，确切地解答高能宇宙射线起源之谜，乃至探索新的物理机制。在距离黑洞几千个施瓦西半径的黑洞射流处，物质与物质碰撞，或物质和光子碰撞产生大量粒子（正负夸克对），中性π粒子能产生两个伽马光子。由于强子化过程才能产生中微子，而高能光子产生的途径太多，能探测到中微子就能看到强子化过程，确定高能宇宙射线的源头并深入研究其加速机制。但是对于10¹⁵eV的光子，自由程只有银河系那么大，通过高能光子“观天”存在观测视界，而高能中微子则不受观测视界限制。

暗物质的本质是什么？是否能产生中微子？高能宇宙射线的来源是什么？这些都是未解之谜。寻找暗物质、中微子衰变、量子引力及检验时空的洛伦兹对称性等都可能是天体中微子的用武之地。“海铃计划”就是在人类对无垠宇宙的好奇心中诞生的。

“海铃计划”旨在中国南海海底建设中微子探测阵列，通过捕捉高能天体中微子来研究极端宇宙的大科学计划。中微子不带电，只参与弱相互作用和引力相互作用，与普通物质作用概率极低。中微子穿过水体的时候，与原子核发生反应，产生高能子，超过介质光速的带电粒子会激发切伦科夫辐射，人们再利用光电倍增管放大信号。这个过程中，探测器的有效面积要足够大，能够收集有效信号。另外，探测所用的介质要足够透明，这样才能让轻子引发的辐射不至于衰减到无法探测，还要尽可能屏蔽其它宇宙射线的干扰。清澈的海水具有较大的平均吸收长度和散射长度。接近赤道的位置又便于巡天，和南极点的冰立方探测阵列互补。那么就在南海搭建人类倾听宇宙音乐的音响吧。

如何设计抗腐蚀、抗高压的外壳，如何设计高探测率、低噪声的探测器、如何让探测器线缆互不缠绕、探测阵列效率最大，都是一个个棘手的科学技术问题。“海铃探路者”项目到南海选址科考，自研的测光仪器中能的相机系统设计，能参考的已有文献少之又少，只能自己从头设计装置及开发数据分析算法，当沉浸许多个日夜研制的CMOS系统第一次从3500米海底深处传回清晰的事实图像的时候，科研团队不禁热泪盈眶。南海中微子望远镜阵列将由大量垂直线缆构成，每根线缆上搭载自主研制的高分辨光学探测球腔。经过反复的数值模拟探索，团队发现彭罗斯密铺（Penrose tiling）是极佳的排布方案，相关选址及探测器设计的工作已经发表在 Nature Astronomy (2023)上。

随后，徐东莲教授与感兴趣的同学深入交谈，不仅谈论“海铃计划”，也很关注同学们的学习与科研情况。徐教授告诉同学们，不要被人为的学科划分束缚自己，不要被一时的课业竞争模糊理想，合作和纯粹的自由探索才能推动整个人类文明的进步。徐教授还提到，科研过程中还会碰到许多非科学问题：国际合作中的政治问题，大科学装置搭建中的经费问题等，作为一名女性科学家，更要付出巨大的努力才能有所收获。但不断遇到问题、不断解决问题的过程也能塑造人的性格，获得长足的成长。

在“海铃计划”的快速推进中，同学们感受到一代青年科研人追求卓越、勇攀高峰的坚持，这份精神也将激励致远学子越走越远。活动最后，徐东莲教授为同学们留下了一个问题“Are the physical laws universal across the universe?”鼓励同学们通过多信使思索更前沿的科学问题。致远学院2023级物理学方向郑棋月作为学生代表向徐东莲教授赠送了2023级生医方向罗子兰的书法作品——“海铃”，并祝愿“海铃计划”顺利开展。

“学以聚之，问以辩之，宽以居之，仁以行之”，通过本次“致交·问道”活动，致远学子得以与“海铃计划”首席科学家近距离接触，在与大师的对话、交流中分享观点、思考讨论，体会科学魅力，感悟科学精神，也必将在科研中实践所学所悟，成为敢问爱问，敢想会想的致远人。