地下700米粒子捕手

工人正在安裝中心探測器的不銹鋼網(wǎng)架網(wǎng)殼部分。建設(shè)中的江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測器展示了其壯觀景象，工人們在不銹鋼網(wǎng)架上進(jìn)行施工。地下700米粒子捕手！

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，也是宇宙中最常見的粒子。它與物質(zhì)的相互作用極為微弱，具有極強(qiáng)的穿透力，可以輕松穿過人體、地面、地球甚至是太陽。中微子的質(zhì)量非常輕，以接近光速運(yùn)動。圍繞中微子，有大量謎團(tuán)尚未解開，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，中微子領(lǐng)域研究已經(jīng)獲得4次諾貝爾獎。但“捕捉”中微子非常困難，擁有更大、更先進(jìn)的探測器從而獲取更精確的數(shù)據(jù)，是中微子研究的重點(diǎn)。

2003年，中國科學(xué)院高能物理研究所科研人員提出設(shè)想，利用我國大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子來尋找中微子的第三種振蕩模式。2007年，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站動工建設(shè)，主體由地面控制室和地下5個實(shí)驗(yàn)室組成，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個探測器開始運(yùn)行。2012年3月8日，時任中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳宣布，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，并測量到其振蕩幾率。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，取得多項(xiàng)世界領(lǐng)先的科研成果。2020年年底，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)裝置正式退役。

如今，我國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，記者來到廣東江門中微子實(shí)驗(yàn)室，映入眼簾的是錯落有致的白色建筑，四周青山環(huán)抱。通過罐籠下降約5分鐘，來到位于地下700米的實(shí)驗(yàn)大廳。選擇在廣東江門進(jìn)行新一代中微子實(shí)驗(yàn)是因?yàn)樵摰貐^(qū)符合苛刻條件，包括周圍有廣東陽江和臺山反應(yīng)堆群，對測量質(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)。建在地下可以屏蔽大部分宇宙線干擾，因此幾乎所有中微子實(shí)驗(yàn)都在地下進(jìn)行。

江門中微子實(shí)驗(yàn)2013年立項(xiàng)，2015年開工建設(shè)地下洞室。該洞室是國內(nèi)拱頂跨度最大的地下洞室，頂部起拱跨度達(dá)49.5米。面對巖體富水性強(qiáng)等世界級工程難題，技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊開展大量技術(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。

實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)有一個巨大的白色球體，坐落在圓柱形的水池中，這是江門中微子實(shí)驗(yàn)的核心探測設(shè)備——中心探測器。中心探測器直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼承載著直徑35.4米的有機(jī)玻璃球、2萬噸液體閃爍體（液閃）、2萬個20英寸光電倍增管、2.5萬個3英寸光電倍增管等部件。探測器運(yùn)行時，水池中還要注入3.5萬噸超純水。

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，凈重約600噸，是世界最大的單體有機(jī)玻璃球。為保證高透光率和低本底的特點(diǎn)，有機(jī)玻璃板材生產(chǎn)采用了獨(dú)特配方和工藝。拼接有機(jī)玻璃球時表面需要用膜材料和帶有水溶膠的紙進(jìn)行保護(hù)，防止氡及其衰變子體污染有機(jī)玻璃。此外，研發(fā)團(tuán)隊通過多種方法降低老化速度，確保探測器安全運(yùn)行。

2萬噸液閃起到了主要作用，當(dāng)大量中微子穿過探測器時，極少的一部分會與液閃發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光，被光電倍增管探測到，從而達(dá)到捕捉中微子的目的。液閃需要非常干凈，高潔凈度、高密封、高效率的純化系統(tǒng)去除了液閃中的放射性雜質(zhì)、惰性氣體等，提高了透明度和光學(xué)性能。

密布于不銹鋼網(wǎng)殼內(nèi)側(cè)的光電倍增管為捕捉中微子布下了“天羅地網(wǎng)”。每個直徑足有半米長的20英寸光電倍增管在中心探測器上要安裝2萬個，再加上2.5萬個3英寸光電倍增管。這些光電倍增管將中微子與液閃反應(yīng)的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并放大千萬倍，在計算機(jī)中進(jìn)行具體分析和研究。中國科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家們發(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，最終研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的光電倍增管樣管，打破了國際壟斷。

光電倍增管長時間工作在44米深的水池中存在內(nèi)爆風(fēng)險，為此，研究人員研制了一套水下防爆系統(tǒng)，為每一個光電倍增管加裝保護(hù)裝置。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，顯著減低沖擊波的強(qiáng)度，避免發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

目前，江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)進(jìn)入收官階段，預(yù)計11月底完成全部安裝任務(wù)，并啟動超純水、液閃的灌裝，2025年8月正式運(yùn)行取數(shù)，預(yù)計運(yùn)行約30年。江門中微子實(shí)驗(yàn)有著豐富的科學(xué)目標(biāo)，包括測量中微子的質(zhì)量順序，精確測量三個中微子振蕩參數(shù)，以及在2030年裝置升級后測量中微子的絕對質(zhì)量，也將在太陽中微子、地球中微子等研究方面達(dá)到國際最好水平，并有望在超新星中微子、質(zhì)子衰變等方面取得重大成果。