原標(biāo)題：江門中微子實(shí)驗(yàn)：地下700米的神秘粒子“捕手”
中微子，是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，也是宇宙中最常見(jiàn)的粒子。其最大的特點(diǎn)是與物質(zhì)的相互作用極為微弱，因此具有極強(qiáng)的穿透力，可以輕松穿過(guò)人體、地面、地球甚至是太陽(yáng)。同時(shí)它的質(zhì)量非常輕，以接近光速運(yùn)動(dòng)。圍繞中微子，有大量謎團(tuán)尚未解開(kāi)，包括它的質(zhì)量大小和起源、質(zhì)量順序、是否造成宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱等。中微子研究有望發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，對(duì)研究宇宙演化、恒星形成、超新星爆發(fā)機(jī)制等有重要意義。自1956年首次被證實(shí)存在以來(lái)，中微子領(lǐng)域研究已經(jīng)獲得4次諾貝爾獎(jiǎng)。但“捕捉”中微子，很難！如何擁有更大、更先進(jìn)的探測(cè)器從而獲取更精確的數(shù)據(jù)，是中微子研究的重點(diǎn)。
從大亞灣到江門
2003年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所科研人員提出設(shè)想——利用我國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來(lái)尋找中微子的第三種振蕩模式。中微子可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，通常稱為中微子振蕩。這證明了中微子有質(zhì)量。
2007年，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站動(dòng)工建設(shè)。它的主體由地面控制室和地下5個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成。地面距地下實(shí)驗(yàn)室的垂直距離最深可達(dá)320米。2011年年底，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)提前以6個(gè)探測(cè)器開(kāi)始運(yùn)行。2012年3月8日，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)的王貽芳宣布：大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測(cè)量到其振蕩幾率。該發(fā)現(xiàn)是對(duì)自然界最基本的物理參數(shù)的測(cè)量，被認(rèn)為是對(duì)物質(zhì)世界基本規(guī)律的新認(rèn)識(shí)。此后，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)繼續(xù)高質(zhì)量運(yùn)行，獲得豐碩成果。其中，中微子振蕩振幅的測(cè)量精度從2012年的20%提高到了2.8%。
2020年年底，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)裝置正式退役。作為我國(guó)第一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置，它還取得了“精確測(cè)量反應(yīng)堆中微子能譜”“給出低質(zhì)量區(qū)惰性中微子最好的限制”等多項(xiàng)世界領(lǐng)先的科研成果。
如今，我國(guó)新一代大型中微子實(shí)驗(yàn)裝置——江門中微子實(shí)驗(yàn)正在緊張建設(shè)中。
2024年10月10日，秋高氣爽時(shí)節(jié)，記者來(lái)到廣東江門中微子實(shí)驗(yàn)室。映入眼簾的是一幢幢白色建筑，錯(cuò)落有致地排列在一片平地上，四周青山環(huán)抱。來(lái)到豎井口，進(jìn)入罐籠，伴隨著鏈條的咔咔聲，罐籠下降了約有5分鐘，來(lái)到位于地下700米的實(shí)驗(yàn)大廳。
為什么選擇在廣東江門進(jìn)行新一代中微子實(shí)驗(yàn)？王貽芳介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）以確定中微子質(zhì)量順序?yàn)槭滓茖W(xué)目標(biāo)，通過(guò)測(cè)量反應(yīng)堆中微子振蕩來(lái)完成。反應(yīng)堆熱功率越大，釋放的中微子數(shù)目就越多，實(shí)驗(yàn)精度就越高。實(shí)驗(yàn)站應(yīng)距反應(yīng)堆50至55公里，對(duì)應(yīng)振蕩的極大值；到各個(gè)反應(yīng)堆的距離必須相等，否則振蕩效應(yīng)會(huì)相互抵消。江門開(kāi)平市附近區(qū)域正好符合這些苛刻條件，包括周圍有廣東陽(yáng)江和臺(tái)山反應(yīng)堆群，對(duì)測(cè)量質(zhì)量順序有效的總功率世界最高，也能找到跟所有反應(yīng)堆距離基本相等的點(diǎn)。經(jīng)過(guò)科學(xué)分析，允許的實(shí)驗(yàn)站范圍在距兩個(gè)核電站50至55公里、寬為200米的區(qū)域內(nèi)，在此位置測(cè)量中微子質(zhì)量順序的靈敏度最高。“能選到如此合適的位置，還是非常幸運(yùn)的�！蓖踬O芳說(shuō)。
為什么核心探測(cè)設(shè)備要建在700米的地下？中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)曹俊介紹，宇宙線會(huì)使中微子探測(cè)設(shè)備出現(xiàn)假信號(hào)，建在地下可以屏蔽大部分宇宙線干擾，因此幾乎所有的中微子實(shí)驗(yàn)都在地下進(jìn)行。
在地下700米的深處建設(shè)如此大的工程，其困難程度可想而知。
據(jù)介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)2013年立項(xiàng)，2015年開(kāi)工建設(shè)地下洞室。該洞室是國(guó)內(nèi)拱頂跨度最大的地下洞室，頂部起拱跨度達(dá)49.5米�！岸词医ㄔO(shè)中我們遇到了很多難題，其中一個(gè)困難是巖體富水性強(qiáng)，出渣和排水困難，工程建設(shè)難度極大�！蓖踬O芳說(shuō)。
面對(duì)超大跨度洞室圍巖變形控制、富水條件安全高效施工等世界級(jí)工程難題，建設(shè)單位、施工單位等組成技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展大量技術(shù)研究并確定合理施工方案，最終地下洞室于2021年年底順利交付使用。
深藏地下700米的有機(jī)玻璃球
從罐籠出來(lái)，記者來(lái)到實(shí)驗(yàn)大廳門口。在做好一系列防塵處理后，實(shí)驗(yàn)大廳的門緩緩打開(kāi)，向前幾步，眼前出現(xiàn)了一個(gè)巨大的白色球體，坐落在圓柱形的水池中。“這是江門中微子實(shí)驗(yàn)的核心探測(cè)設(shè)備——中心探測(cè)器�！辈芸〗榻B，中心探測(cè)器位于地下實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)44米深的水池中央，直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼是探測(cè)器的主支撐結(jié)構(gòu)，承載直徑35.4米的有機(jī)玻璃球、2萬(wàn)噸液體閃爍體（以下簡(jiǎn)稱“液閃”）、2萬(wàn)個(gè)20英寸光電倍增管、2.5萬(wàn)個(gè)3英寸光電倍增管，以及前端電子學(xué)、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多探測(cè)器部件。探測(cè)器運(yùn)行時(shí)，水池中還要注入3.5萬(wàn)噸超純水。
江門中微子實(shí)驗(yàn)有機(jī)玻璃球由263塊12厘米厚的烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，有機(jī)玻璃凈重約600噸，是世界最大的單體有機(jī)玻璃球�！跋啾绕�35.4米的直徑，12厘米厚的有機(jī)玻璃球壁按比例換算，就好像雞蛋殼一樣薄。”曹俊介紹，為了提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度和準(zhǔn)確性，有機(jī)玻璃板材生產(chǎn)采用了獨(dú)特配方和工藝，其天然放射性本底鈾和釷的質(zhì)量占比小于一萬(wàn)億分之一，以保證其高透光率和低本底的特點(diǎn)；為防止氡及其衰變子體污染有機(jī)玻璃，拼接有機(jī)玻璃球時(shí)表面需要用膜材料和帶有水溶膠的紙進(jìn)行保護(hù)，可在建設(shè)結(jié)束后順利取下；有機(jī)玻璃有老化現(xiàn)象，球體表面容易產(chǎn)生裂紋，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種方法降低老化速度，保證探測(cè)器安全運(yùn)行；探測(cè)器建成后，有機(jī)玻璃球內(nèi)部將是2萬(wàn)噸液閃，外部是3.5萬(wàn)噸超純水，球體內(nèi)外壓力不同，這對(duì)有機(jī)玻璃球的拼接工藝提出了很高要求。
2萬(wàn)噸液閃、600噸有機(jī)玻璃，再加上其他設(shè)備，這么重的重量，如何才能平穩(wěn)地立起來(lái)？這需要不銹鋼網(wǎng)殼的支撐。不銹鋼網(wǎng)殼由預(yù)制的H型鋼通過(guò)12萬(wàn)套高強(qiáng)螺栓拼接而成，是目前國(guó)內(nèi)最大的單體不銹鋼主結(jié)構(gòu)�！拔覀�?cè)诓讳P鋼網(wǎng)殼設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得了多項(xiàng)技術(shù)發(fā)明專利，其中的鉚釘技術(shù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)并發(fā)布，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白�！辈芸〗榻B。此外，探測(cè)器運(yùn)行時(shí)有機(jī)玻璃球置于超純水中，需要長(zhǎng)期承受約3000噸的浮力，這些力需要通過(guò)有機(jī)玻璃節(jié)點(diǎn)、連接桿和不銹鋼節(jié)點(diǎn)傳遞到不銹鋼網(wǎng)殼主結(jié)構(gòu)上。經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和上百次試驗(yàn)，各節(jié)點(diǎn)都獲得超高承載能力。
中微子質(zhì)量極小，速度極快，與物質(zhì)的相互作用極為微弱，中心探測(cè)器如何將其捕捉到呢？2萬(wàn)噸的液閃起到了主要作用。當(dāng)大量中微子穿過(guò)探測(cè)器時(shí)，極少的一部分會(huì)與液閃發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光，被光電倍增管探測(cè)到，從而達(dá)到捕捉中微子的目的�！白鳛樘綔y(cè)中微子的靶靈敏物質(zhì)，液閃的主要成分是烷基苯，是日常生活中洗手液、洗衣液的主要原料，但江門中微子實(shí)驗(yàn)所用的液閃需要非常干凈�！蓖踬O芳說(shuō)。此外，液閃還需要很高的光輸出、極好的透明度和極低的放射性本底，這些都給其制備帶來(lái)極高難度。
面對(duì)這些困難，江門中微子實(shí)驗(yàn)液閃組在大量調(diào)研、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研發(fā)出高潔凈度、高密封、高效率的純化系統(tǒng)�！巴ㄟ^(guò)氧化鋁系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、混制系統(tǒng)、水萃取系統(tǒng)和氣體剝離系統(tǒng)，我們?nèi)コ艘洪W中的放射性雜質(zhì)、惰性氣體等，提高了透明度和光學(xué)性能�！辈芸〗榻B，目前液閃組已成功獲得光傳輸衰減長(zhǎng)度大于20米的液閃，是世界最好水平，潔凈度達(dá)到了要求。
捕捉中微子的“天羅地網(wǎng)”
當(dāng)中微子在液閃中發(fā)出微弱的光，密布于不銹鋼網(wǎng)殼內(nèi)側(cè)的一只只“眼睛”——光電倍增管便開(kāi)始發(fā)揮作用。記者在現(xiàn)場(chǎng)看到還沒(méi)有安裝進(jìn)中心探測(cè)器的光電倍增管，每個(gè)直徑足有半米長(zhǎng)。這種20英寸的光電倍增管在中心探測(cè)器上要安裝2萬(wàn)個(gè)，再加上2.5萬(wàn)個(gè)3英寸光電倍增管，為捕捉中微子布下了“天羅地網(wǎng)”。
“光電倍增管是中微子探測(cè)器中最重要的部分，中微子信號(hào)就是通過(guò)光電倍增管探測(cè)出來(lái)，它們將中微子與液閃反應(yīng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并放大千萬(wàn)倍，然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行具體分析和研究�！蓖踬O芳介紹。這個(gè)國(guó)之重器的建設(shè)，客觀上帶動(dòng)了我國(guó)光電倍增管行業(yè)的發(fā)展——國(guó)際上能生產(chǎn)相關(guān)光電倍增管的公司很少，不僅性能達(dá)不到要求，售價(jià)還特別高。因此，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家們啟動(dòng)了光電倍增管的預(yù)研并積極推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化。他們發(fā)明了一種全新構(gòu)型及電子放大方式的新型光電倍增管，在與相關(guān)企業(yè)合作后，最終研制出收集效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的光電倍增管樣管，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打破了該領(lǐng)域的國(guó)際壟斷。
構(gòu)成光電倍增管的真空玻璃殼是一種典型的脆性材料，長(zhǎng)時(shí)間工作在44米深的水池中，存在內(nèi)爆風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)爆產(chǎn)生的沖擊波有可能引爆周圍的光電倍增管，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終損壞所有光電倍增管，甚至破壞探測(cè)器的主體結(jié)構(gòu)——這類事故在國(guó)外就曾發(fā)生過(guò)�！盀榇耍覀冄兄屏艘惶姿路辣到y(tǒng)，為每一個(gè)光電倍增管加裝保護(hù)裝置。”曹俊指著旁邊的一個(gè)光電倍增管樣品介紹，該裝置前半部為半橢球形的極透明有機(jī)玻璃罩，既能承受50米以上的水壓，又能適配光電倍增管最小25毫米的安裝間隙，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了好于0.4毫米的精度和98%以上的水中透光率。后半部為不銹鋼保護(hù)罩和連接結(jié)構(gòu)，既保證了強(qiáng)度，又對(duì)實(shí)驗(yàn)的光信號(hào)無(wú)遮擋。該防爆系統(tǒng)可以有效減緩高壓水填充真空區(qū)域的速度，從而顯著減低沖擊波的強(qiáng)度，避免發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
中微子不僅要捕捉得到，還要捕捉得準(zhǔn)確，這需要反符合探測(cè)器將非中微子的信號(hào)排除掉。江門中微子實(shí)驗(yàn)反符合系統(tǒng)負(fù)責(zé)人楊長(zhǎng)根介紹，水池里3.5萬(wàn)噸的水需要在水凈化室進(jìn)行純化，這些超純水可以用作宇宙線探測(cè)器，將宇宙線對(duì)中微子探測(cè)的干擾排除，也可作為屏蔽層，屏蔽掉巖石中的天然放射性以及宇宙線在附近巖石中產(chǎn)生的大量次級(jí)粒子。此外，水池上方的徑跡探測(cè)器可以測(cè)量宇宙線的精確方向，更有效地排除錯(cuò)誤信號(hào)，使中微子探測(cè)更精準(zhǔn)。
目前，江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)進(jìn)入收官階段：最內(nèi)層的有機(jī)玻璃球已合攏，外層的不銹鋼網(wǎng)架和光電倍增管也在有序合攏中，預(yù)計(jì)11月底完成全部安裝任務(wù)，并啟動(dòng)超純水、液閃的灌裝，2025年8月正式運(yùn)行取數(shù)，預(yù)計(jì)運(yùn)行約30年。王貽芳表示，江門中微子實(shí)驗(yàn)有著豐富的科學(xué)目標(biāo)，包括測(cè)量中微子的質(zhì)量順序，精確測(cè)量三個(gè)中微子振蕩參數(shù)，以及在2030年裝置升級(jí)后測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量，也將在太陽(yáng)中微子、地球中微子等研究方面達(dá)到國(guó)際最好水平，并有望在超新星中微子、質(zhì)子衰變等方面取得重大成果。
（記者 秦偉利）