深海里程碑為宇宙開啟新視窗
中國科學家已成功完成熱帶深海中微子望遠鏡（TRIDENT）的關鍵海上試驗，為建造這座未來全球最大、旨在探測來自深空幽靈般亞原子粒子的水下觀測站，邁出重要一步。上海交通大學週日宣布，精密儀器與工程設備已在南海水下3,500公尺處展現完整運作能力，驗證多年來密集研發的成果。
近期完成的測試驗證了「具彈性釋放功能的海底精密儀器布放系統」（SPIDER）。這套精密機制可將精密探測設備準確布放至海床。試驗期間，SPIDER在目標深度3,500公尺完成海床著陸測試，並與動態定位船舶進行協同移動測試，確認其耐衝擊能力，以及這項大型建設計畫所需的深海精準定位能力。
除了布放系統，研究人員也成功回收於2025年4月首次布放的中微子環境繫泊儀器。這些儀器在極端壓力條件下記錄設備運作情形，並提供完整週期的氣象、海洋及水文資料。感測器在水下數月後僅出現輕微生物附著，持續傳回的資料將協助選定大型望遠鏡陣列的最終址點，並確保選定位置全年維持穩定環境。
專案團隊也在航程中進行原位採樣及大容量過濾實驗，蒐集深海平原生態系的完整生物多樣性資料。這些發現將提供重要基準，協助區分真正的中微子訊號與可能的生物干擾或其他深海背景雜訊，也將增進海洋科學界對這些鮮少探索的深海區域的了解。
此次試驗成功，不只是工程驗證，更證明中國具備在地球上最具挑戰性的環境之一，建造並維護精密科學設施的技術能力。水下3,500公尺的深海平原承受巨大水壓、完全黑暗且接近冰點，傳統設備在這種環境下數小時內便會損壞。
在幽暗海水中追尋幽靈粒子
TRIDENT中文又稱「海鈴」，代表著一項大膽嘗試，旨在捕捉中微子。這種難以捉摸的亞原子粒子，因極難探測而被科學家暱稱為「幽靈粒子」。中微子的質量幾乎為零，也不帶電荷，因此能穿過包括整個行星在內的固體物質，且不與其發生交互作用。每秒約有1,000億個中微子穿過人體每平方公分，但不留下任何經過的痕跡。
中微子這種幽靈般的特性，使它們極難探測，卻也讓它們成為極具價值的宇宙信使。中微子不受磁場偏轉，沿直線行進，因此能直接指向來源，或許可揭示宇宙射線的起源，以及產生宇宙射線的劇烈天文物理事件。這些來源包括超新星爆炸、星系碰撞，以及活躍星系核噴流。
高能中微子偶爾與水分子碰撞時，會產生稱為緲子的次級粒子，並發出微弱的藍光閃光，稱為「契忍可夫輻射」。TRIDENT將利用懸置於大量深海水體中的數千個超高靈敏度光學感測器，探測這些轉瞬即逝的微光。
極端深度下的精密工程
近期海上試驗著重驗證第一期建設所需的幾項關鍵技術。SPIDER系統尤其成果卓著，在取得目前的成功之前，歷經八次設計修改。測試期間，設備下潛至約1,700公尺，展開一條700公尺長的纜線，纜線上裝有20個感測器和4個浮力塊；設備維持定位十分鐘，並緩慢旋轉，以模擬實際運作狀況。
工程師也測試了原型混合式數位光學模組（hDOM），這是望遠鏡的核心探測單元。這款先進感測器捕捉到細微的中微子訊號，在極微弱光線條件下達到單光子等級的精度，展現出偵測幽靈粒子交互作用所需的靈敏度。
此外，專案團隊也針對五套國產深海濕式插拔連接器系統，完成多次水下接合測試。這些裝置將連接水下浮標與海床接線盒，構成觀測站資料與電力基礎設施的關鍵連結。團隊也在此次考察期間驗證水下聲學定位系統。
創新的混合式感測器設計
hDOM模組相較於以往的中微子望遠鏡，是一項重大技術進展。每個模組結合傳統光電倍增管（PMT）與新型矽光電倍增器（SiPM），打造混合式探測系統，在最大化集光能力的同時，達到以數十皮秒計的時間解析度。SiPM填補PMT之間的空隙，增加光陰極覆蓋範圍，並支援符合觸發，提升訊號辨識能力。
這種混合式設計讓TRIDENT能精確測量未散射契忍可夫光子的抵達時間，直接提升探測到的粒子軌跡角解析度。科學家預期，高能事件的指向精度可達約0.1度，有助於從瀰漫的宇宙中微子背景中，分辨出個別天文物理來源。
打造全球最大水下觀測站
TRIDENT預計於2030年代初期完工，規模將遠超現有所有中微子觀測站。完整陣列將由1,211條垂直感測器串列組成，每條高700公尺，配備20個混合式光學模組，間隔30公尺。這些串列將分布於海平面下2,800至3,400公尺深處，形成約7.5立方公里的儀器探測體積。
串列將按照彭羅斯鑲嵌圖樣排列，並採用黃金比例，相鄰串列間距交替為70和110公尺。研究人員選擇這種不規則幾何布局，而非規則網格，是因為模擬顯示，這種布局能擴大可探測中微子的能量範圍，並減少可能損害資料品質的邊緣效應。設計也在串列群之間規劃螺旋通道，讓水下機器人能進入內部組件進行維護，同時避免形成可能漏測中微子交互作用的大面積空缺區域。
如此龐大的規模，比目前的紀錄保持者「冰立方」（IceCube）更具優勢；冰立方監測的南極冰層體積約為1立方公里。探測體積增加，意味著TRIDENT將捕捉到更多中微子交互作用。研究人員預測，望遠鏡開始運作後，只需一年便能以五個標準差的統計顯著性，探測到NGC 1068塞佛特星系等特定穩定訊號來源。
赤道位置的中微子天文學優勢
TRIDENT位於赤道附近的西太平洋，具備極地或中緯度觀測站所沒有的獨特科學優勢。上海交通大學李政道研究所的望遠鏡首席科學家徐東蓮，說明了這項計畫創新的觀測策略。
TRIDENT將以地球作為屏障，探測從地球另一側穿透而來的中微子。由於TRIDENT位於赤道附近，隨著地球自轉，它可以接收來自各個方向的中微子，觀測完整天空，不留任何盲區。
這種朝下觀測的配置可濾除大氣緲子造成的背景輻射，因為緲子無法穿過整個地球。只有高能中微子能從地球另一側穿透而來，為探測天文物理來源創造乾淨的訊號環境。由於探測器位於赤道附近，地球自轉會持續讓它的視野掃過整片天空，消除極地探測器面臨的盲區。
2021年進行的選址調查確認，選定的深海平原具備理想條件。在3,500公尺深處，水流速度緩慢，每秒不到10公分。海水光學透明度極佳，吸收長度約27公尺、散射長度為63公尺，讓契忍可夫光子能在交互作用位置與感測器之間傳播相當距離。
探索宇宙謎團與基礎物理
推動TRIDENT的科學目標，遠不止於計算幽靈粒子的數量。計畫主席景益鵬近期在記者會上概述更廣泛的研究議程，指出望遠鏡將有助於檢驗時空對稱性、尋找量子重力的證據，並間接搜尋暗物質。
主要任務仍是解開已有百年歷史的宇宙射線起源之謎。自1912年以來，科學家便已知高能粒子不斷從太空轟擊地球，但究竟是哪些機制和位置將這些粒子加速至極高能量，至今仍不確定。中微子提供了關鍵的缺失線索，因為宇宙射線在誕生處附近與物質或輻射交互作用時，會產生中微子。
透過探測特定天體發出的中微子，TRIDENT將找出散布於宇宙各處的宇宙射線工廠。觀測站也將測量中微子的味比例，檢視電子中微子、緲中微子和陶中微子在跨越天文距離的旅途中如何相互轉換。這些振盪測量或許能揭示標準模型以外的物理現象，並提供量子重力效應的線索。
此外，望遠鏡也將搜尋「格拉肖共振」：在特定能量下，電子反中微子會與原子中的電子交互作用，產生可與其他中微子交互作用區分的獨特訊號。若能探測到這些罕見事件，將有助於進一步限制天文物理模型與基礎粒子物理的範圍。
建設時程與國際布局
這項計畫將分階段推動。第一期預計在2026年前後布放十條中微子探測串列，組成精簡陣列，作為技術示範。試驗階段成功後，將著手建造完整的1,211條串列陣列，預計在2030年代初期啟用整座觀測站。
團隊將在港口城市三亞興建專用製造設施，量產混合式光學模組和串列系統。完工組件可從該設施便捷運往安裝地點，該地點位於香港以南約540公里處。
TRIDENT加入日益擴大的全球中微子觀測站網絡。俄羅斯的貝加爾湖GVD目前在貝加爾湖運作，KM3NeT計畫則正在地中海興建。南極的冰立方觀測站持續運作，另有提議中的太平洋中微子實驗（P ONE）可能部署於東太平洋。各個地點各具優勢，TRIDENT的赤道位置則可與北半球及南半球的探測器互補，擴大天空觀測範圍。
十多所中國大學與研究機構參與這項計畫，包括北京的高能物理研究所、中國海洋大學及中國科學技術大學。這種合作方式結合粒子物理、天文學、海洋工程和海洋生物學等領域的專業知識，以因應在深海建造粒子物理實驗室的跨領域挑戰。
重點整理
- 中國科學家成功在南海水下3,500公尺測試TRIDENT中微子望遠鏡設備，驗證SPIDER布放系統與混合式光學感測器
- SPIDER系統完成海床著陸測試及船舶協同移動測試；混合式數位光學模組則達到單光子等級的探測精度
- TRIDENT預計於2030年代初期完工，將涵蓋7.5立方公里、設有1,211條感測器串列，成為全球最大中微子觀測站
- 赤道位置讓望遠鏡能以地球作為屏障，並隨著地球自轉觀測完整天空，不留盲區
- 科學家預期，觀測站全面運作一年內即可辨識特定宇宙中微子來源，推進宇宙射線起源、量子重力與暗物質研究
- 十條串列的試驗陣列預定於2026年前後部署，並計畫在三亞設立製造設施
