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江門中微子實(shí)驗(yàn)：地下700米的神秘粒子“捕手”
2024/10/24 16:49 來源：光明網(wǎng) 閱讀：1.3萬
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,。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,，可以輕松穿過人體,、地面,、地球甚至是太陽,。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,，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，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。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)器開始運(yùn)行。2012年3月8日,，時(shí)任中國科學(xué)院高能物理研究所所長的王貽芳宣布：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),，通過測(cè)量反應(yīng)堆中微子振蕩來完成。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?！澳苓x到如此合適的位置,，還是非常幸運(yùn)的?！蓖踬O芳說,。
為什么核心探測(cè)設(shè)備要建在700米的地下？中國科學(xué)院高能物理研究所所長曹俊介紹,，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,。“洞室建設(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。
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,，記者來到實(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,，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?！斑@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,。”曹俊介紹,，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,、2萬噸液體閃爍體（以下簡(jiǎn)稱“液閃”）,、2萬個(gè)20英寸光電倍增管、2.5萬個(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?5.4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2萬噸液閃,，外部是3.5萬噸超純水,，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,？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12萬套高強(qiáng)螺栓拼接而成，是目前國內(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)國家標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)并發(fā)布,，填補(bǔ)了國內(nèi)空白,。”曹俊介紹,。此外,，探測(cè)器運(yùn)行時(shí)有機(jī)玻璃球置于超純水中，需要長期承受約3000噸的浮力,，這些力需要通過有機(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？2萬噸的液閃起到了主要作用,。當(dāng)大量中微子穿過探測(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,。”王貽芳說,。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),。“通過氧化鋁系統(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”——光電倍增管便開始發(fā)揮作用,。記者在現(xiàn)場(chǎng)看到還沒有安裝進(jìn)中心探測(cè)器的光電倍增管，每個(gè)直徑足有半米長,。這種20英寸的光電倍增管在中心探測(cè)器上要安裝2萬個(gè),，再加上2.5萬個(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)就是通過光電倍增管探測(cè)出來，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)國之重器的建設(shè),，客觀上帶動(dòng)了我國光電倍增管行業(yè)的發(fā)展——國際上能生產(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)——這類事故在國外就曾發(fā)生過,。“為此,，我們研制了一套水下防爆系統(tǒng),，為每一個(gè)光電倍增管加裝保護(hù)裝置?！辈芸≈钢赃叺囊粋€(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)人楊長根介紹,，水池里3.5萬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,。（記者 秦偉利）