江門中微子實驗：地下700米的神秘粒子“捕手”
馮杰
2024年10月28日 07:22
本報記者 秦偉利
光明日報（ 2024年10月24日 16版）中微子，是構成物質(zhì)世界的基本粒子之一，也是宇宙中最常見的粒子。其最大的特點是與物質(zhì)的相互作用極為微弱，因此具有極強的穿透力，可以輕松穿過人體、地面、地球甚至是太陽。同時它的質(zhì)量非常輕，以接近光速運動。圍繞中微子，有大量謎團尚未解開，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)超出標準模型的新物理，對研究宇宙演化、恒星形成、超新星爆發(fā)機制等有重要意義。自1956年首次被證實存在以來，中微子領域研究已經(jīng)獲得4次諾貝爾獎。但“捕捉”中微子，很難！如何擁有更大、更先進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。
從大亞灣到江門
2003年，中國科學院高能物理研究所科研人員提出設想——利用我國大亞灣核反應堆群產(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，大亞灣反應堆中微子實驗站動工建設。它的主體由地面控制室和地下5個實驗室組成。地面距地下實驗室的垂直距離最深可達320米。2011年年底，大亞灣反應堆中微子實驗提前以6個探測器開始運行。2012年3月8日，時任中國科學院高能物理研究所所長的王貽芳宣布：大亞灣反應堆中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。該發(fā)現(xiàn)是對自然界最基本的物理參數(shù)的測量，被認為是對物質(zhì)世界基本規(guī)律的新認識。此后，大亞灣反應堆中微子實驗繼續(xù)高質(zhì)量運行，獲得豐碩成果。其中，中微子振蕩振幅的測量精度從2012年的20%提高到了2.8%。
2020年年底，大亞灣反應堆中微子實驗裝置正式退役。作為我國第一代中微子實驗裝置，它還取得了“精確測量反應堆中微子能譜”“給出低質(zhì)量區(qū)惰性中微子最好的限制”等多項世界領先的科研成果。
如今，我國新一代大型中微子實驗裝置——江門中微子實驗正在緊張建設中。
2024年10月10日，秋高氣爽時節(jié)，記者來到廣東江門中微子實驗室。映入眼簾的是一幢幢白色建筑，錯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米的實驗大廳。
為什么選擇在廣東江門進行新一代中微子實驗？王貽芳介紹，江門中微子實驗（JUNO）以確定中微子質(zhì)量順序為首要科學目標，通過測量反應堆中微子振蕩來完成。反應堆熱功率越大，釋放的中微子數(shù)目就越多，實驗精度就越高。實驗站應距反應堆50至55公里，對應振蕩的極大值；到各個反應堆的距離必須相等，否則振蕩效應會相互抵消。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山反應堆群，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堆距離基本相等的點。經(jīng)過科學分析，允許的實驗站范圍在距兩個核電站50至55公里、寬為200米的區(qū)域內(nèi)，在此位置測量中微子質(zhì)量順序的靈敏度最高?！澳苓x到如此合適的位置，還是非常幸運的?！蓖踬O芳說。
為什么核心探測設備要建在700米的地下？中國科學院高能物理研究所所長曹俊介紹，宇宙線會使中微子探測設備出現(xiàn)假信號，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驗都在地下進行。
在地下700米的深處建設如此大的工程，其困難程度可想而知。
據(jù)介紹，江門中微子實驗2013年立項，2015年開工建設地下洞室。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49.5米?！岸词医ㄔO中我們遇到了很多難題，其中一個困難是巖體富水性強，出渣和排水困難，工程建設難度極大?！蓖踬O芳說。
面對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工程難題，建設單位、施工單位等組成技術攻關團隊，開展大量技術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米的有機玻璃球
從罐籠出來，記者來到實驗大廳門口。在做好一系列防塵處理后，實驗大廳的門緩緩打開，向前幾步，眼前出現(xiàn)了一個巨大的白色球體，坐落在圓柱形的水池中?！斑@是江門中微子實驗的核心探測設備——中心探測器?！辈芸〗榻B，中心探測器位于地下實驗大廳內(nèi)44米深的水池中央，直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼是探測器的主支撐結構，承載直徑35.4米的有機玻璃球、2萬噸液體閃爍體（以下簡稱“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，以及前端電子學、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多探測器部件。探測器運行時，水池中還要注入3.5萬噸超純水。
江門中微子實驗有機玻璃球由263塊12厘米厚的烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，有機玻璃凈重約600噸，是世界最大的單體有機玻璃球?！跋啾绕?5.4米的直徑，12厘米厚的有機玻璃球壁按比例換算，就好像雞蛋殼一樣薄?！辈芸〗榻B，為了提高實驗的靈敏度和準確性，有機玻璃板材生產(chǎn)采用了獨特配方和工藝，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；為防止氡及其衰變子體污染有機玻璃，拼接有機玻璃球時表面需要用膜材料和帶有水溶膠的紙進行保護，可在建設結束后順利取下；有機玻璃有老化現(xiàn)象，球體表面容易產(chǎn)生裂紋，研發(fā)團隊通過多種方法降低老化速度，保證探測器安全運行；探測器建成后，有機玻璃球內(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，這對有機玻璃球的拼接工藝提出了很高要求。
2萬噸液閃、600噸有機玻璃，再加上其他設備，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)殼由預制的H型鋼通過12萬套高強螺栓拼接而成，是目前國內(nèi)最大的單體不銹鋼主結構。“我們在不銹鋼網(wǎng)殼設計過程中獲得了多項技術發(fā)明專利，其中的鉚釘技術相關國家標準獲得批準并發(fā)布，填補了國內(nèi)空白?！辈芸〗榻B。此外，探測器運行時有機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玻璃節(jié)點、連接桿和不銹鋼節(jié)點傳遞到不銹鋼網(wǎng)殼主結構上。經(jīng)過反復設計優(yōu)化和上百次試驗，各節(jié)點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，中心探測器如何將其捕捉到呢？2萬噸的液閃起到了主要作用。當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，發(fā)出極其微弱的閃爍光，被光電倍增管探測到，從而達到捕捉中微子的目的。“作為探測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，但江門中微子實驗所用的液閃需要非常干凈?！蓖踬O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。
面對這些困難，江門中微子實驗液閃組在大量調(diào)研、實驗基礎上，研發(fā)出高潔凈度、高密封、高效率的純化系統(tǒng)?！巴ㄟ^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性能。”曹俊介紹，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，潔凈度達到了要求。
捕捉中微子的“天羅地網(wǎng)”
當中微子在液閃中發(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)場看到還沒有安裝進中心探測器的光電倍增管，每個直徑足有半米長。這種20英寸的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，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器中最重要的部分，中微子信號就是通過光電倍增管探測出來，它們將中微子與液閃反應的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并放大千萬倍，然后在計算機中進行具體分析和研究?！蓖踬O芳介紹。這個國之重器的建設，客觀上帶動了我國光電倍增管行業(yè)的發(fā)展——國際上能生產(chǎn)相關光電倍增管的公司很少，不僅性能達不到要求，售價還特別高。因此，中國科學院高能物理研究所的科學家們啟動了光電倍增管的預研并積極推動國產(chǎn)化。他們發(fā)明了一種全新構型及電子放大方式的新型光電倍增管，在與相關企業(yè)合作后，最終研制出收集效率等關鍵技術指標達到國際領先水平的光電倍增管樣管，擁有完全自主知識產(chǎn)權，打破了該領域的國際壟斷。
構成光電倍增管的真空玻璃殼是一種典型的脆性材料，長時間工作在44米深的水池中，存在內(nèi)爆風險。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)生鏈式反應，最終損壞所有光電倍增管，甚至破壞探測器的主體結構——這類事故在國外就曾發(fā)生過?！盀榇耍覀冄兄屏艘惶姿路辣到y(tǒng)，為每一個光電倍增管加裝保護裝置?！辈芸≈钢赃叺囊粋€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，同時實現(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罩和連接結構，既保證了強度，又對實驗的光信號無遮擋。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度，避免發(fā)生鏈式反應。
中微子不僅要捕捉得到，還要捕捉得準確，這需要反符合探測器將非中微子的信號排除掉。江門中微子實驗反符合系統(tǒng)負責人楊長根介紹，水池里3.5萬噸的水需要在水凈化室進行純化，這些超純水可以用作宇宙線探測器，將宇宙線對中微子探測的干擾排除，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)生的大量次級粒子。此外，水池上方的徑跡探測器可以測量宇宙線的精確方向，更有效地排除錯誤信號，使中微子探測更精準。
目前，江門中微子實驗建設進入收官階段：最內(nèi)層的有機玻璃球已合攏，外層的不銹鋼網(wǎng)架和光電倍增管也在有序合攏中，預計11月底完成全部安裝任務，并啟動超純水、液閃的灌裝，2025年8月正式運行取數(shù)，預計運行約30年。王貽芳表示，江門中微子實驗有著豐富的科學目標，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。