美国将在苏必利尔湖和弗米利恩湖开展水下中微子探测测试

从2026年10月至约2027年4月，一个由美国大学和政府研究人员组成的团队将在苏必利尔湖和弗米利恩湖开展水下中微子测试。该项目名为实验性中微子探测器(END)，目标是在天然水体中验证一套基线探测系统，用于识别费米国家加速器实验室产生的NuMI中微子束，并将其与宇宙射线背景和浅水环境中的其他噪声区分开来。

END将在费米实验室中微子束流线穿过苏必利尔湖(如图所示)的湖底，也就是明尼苏达州双港附近，放置水下中微子探测器。该束流线将继续向北，前往此前已在明尼苏达州苏丹湖(弗米利恩湖)和阿什河建立的中微子探测器站点。图片来源：明尼苏达大学德卢斯分校

END项目将利用NuMI束流穿过明尼苏达州北部湖区的特点，在苏必利尔湖双港附近湖底布设水下探测器。该束流路径继续向北，经过此前已建设中微子探测站点的苏丹地区弗米利恩湖以及明尼苏达州阿什河。研究团队希望在NuMI束流于2027年退役前，完成对天然水体观测实验室产生中微子的技术验证。

中微子是宇宙中数量极多、但极难探测的基本粒子。它们与其他粒子发生相互作用的概率极低，因此科研人员通常需要高强度中微子束和大体积、高灵敏度探测器来捕捉其罕见相互作用。此前，IceCube、贝加尔湖和KM3Net等实验已在大型水体或冰体中观测天然中微子，MINOS和NOvA等实验也研究过人工中微子束;但在大型天然水体中观测实验室产生的中微子，仍有待验证。

根据计划，苏必利尔湖探测器将采用KM3Net合作组开发的水下光电传感器。不同于地中海深海实验中传感器沿垂直长串布设的方式，苏必利尔湖水深较浅，传感器将安装在放置于湖底的金属框架上。预计9月起，研究团队将在德卢斯克卢尔码头11号码头建造5个高约10米的金属框架，每个框架安装18个球形数字光学模块(DOM)，每个DOM直径约43厘米。

11月，伍兹霍尔海洋研究所的“尼尔·阿姆斯特朗”号研究船计划抵达现场，将框架和传感器吊装至甲板，并运往双港附近与费米实验室中微子束对齐的湖区。探测框架将被放置到湖底，并通过水下光纤电缆与岸上临时设备相连，相关岸基设备设在双港水处理厂附近。

弗米利恩湖将部署另一类中微子探测器。研究人员计划在明尼苏达州塔镇附近湖底布设10个大型水箱，每个水箱高约2.5米、长约6.4米，内部安装两台平板中微子探测器。2026年秋季，湖底将先投放配重块，随后由驳船将水箱拖至指定位置并固定，使探测器与NuMI束流对准。部署预计10月中下旬开始，耗时约一个月，随后开展数月数据采集;待湖面条件允许后，设备将在2027年春末至夏初移除。

在探测原理上，当NuMI束流中的中微子偶尔与水中原子发生相互作用时，会产生可见粒子。这些粒子在清澈湖水中运动时产生微弱蓝光，苏必利尔湖的光电传感器将捕捉这些信号，并通过水下光纤传回岸上。研究团队预计，在NuMI束流运行期间，END每天可探测到数个由该束流产生的中微子事件。弗米利恩湖实验则利用塑料闪烁体面板探测粒子通过时产生的闪光，并通过粒子路径信息区分背景事件;由于探测器置于不透光容器内，可全天运行。

该项目由美国国防高级研究计划局资助，并与美国能源部科学办公室、费米国家加速器实验室和布鲁克海文国家实验室合作推进。参与团队包括明尼苏达大学德卢斯分校、威斯康星大学、德雷克塞尔大学和伍兹霍尔海洋研究所的科研人员。项目方表示，END准备和测试阶段预计不会影响当地居民日常生活，也不会造成噪声污染或干扰当地企业及湖泊休闲活动。