■本報(bào)記者 倪思潔
熟悉中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的人都知道，自2011年起，中科院組織實(shí)施了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)，并把它分成了A、B兩類(lèi)，A類(lèi)側(cè)重于前瞻戰(zhàn)略科技，B類(lèi)側(cè)重于基礎(chǔ)與交叉前沿方向布局。
不過(guò)，細(xì)心的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，在A類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的名單里，有一個(gè)特殊的條目——“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)”。與所有其他專(zhuān)項(xiàng)都不同，“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)”專(zhuān)項(xiàng)只為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)而設(shè)。
回望過(guò)去，這個(gè)特殊的先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，曾因獨(dú)特的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)而提前誕生。5年來(lái)，它一步步為撐起中國(guó)中微子研究的新輝煌而前行。
提前5年啟動(dòng)的項(xiàng)目
江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的誕生，還要從大亞灣實(shí)驗(yàn)說(shuō)起。
2007年10月，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)開(kāi)工。熱衷于“走一步看三步”的科學(xué)家們一邊建著大亞灣工程，一邊盤(pán)算著下一步還可以做點(diǎn)什么。
現(xiàn)任中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳和研究員曹俊提出的“中微子的質(zhì)量順序測(cè)量”方案很快成為二期實(shí)驗(yàn)的首選。不過(guò)，二期實(shí)驗(yàn)?zāi)懿荒茏?，取決于一個(gè)前提——大亞灣實(shí)驗(yàn)測(cè)出的中微子振蕩幾率一定要夠大。
2012年3月8日下午兩點(diǎn)，高能物理所召開(kāi)了一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)，王貽芳向世界宣布，大亞灣實(shí)驗(yàn)測(cè)到了中微子第三種振蕩，振蕩幾率為9.2%。這一結(jié)果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)他們最早期待的1%到3%?？蒲腥藛T心里有數(shù)了：“后續(xù)的中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)茏觯 ?/p>
最終，實(shí)驗(yàn)選址廣東江門(mén)，距陽(yáng)江和臺(tái)山反應(yīng)堆群皆為約53公里，由原先的“大亞灣中微子二期實(shí)驗(yàn)”更名為“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)”。
讓人意想不到的是，項(xiàng)目的啟動(dòng)比預(yù)期中提前了5年?！?008年時(shí)，我們預(yù)計(jì)如果大亞灣實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較好，十年后可以啟動(dòng)后續(xù)研究。”曹俊說(shuō)。
大亞灣實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布之后，中微子質(zhì)量順序測(cè)量成為下一步的研究熱點(diǎn)。美國(guó)、日本，甚至印度都逐漸明確了下一步的計(jì)劃?！拔覀?nèi)绻叱Ｒ?guī)的經(jīng)費(fèi)支持申請(qǐng)渠道，新的研究項(xiàng)目批下來(lái)至少還要四五年，到那時(shí)，這事兒就黃了。”曹俊說(shuō)。
于是，他們申請(qǐng)了先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的支持。2013年2月1日，唯一一個(gè)以單一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為內(nèi)容的戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)成立了。根據(jù)科學(xué)目標(biāo)，“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)”工程建成后將著力解決國(guó)際中微子研究中下一個(gè)熱點(diǎn)和重大問(wèn)題：中微子質(zhì)量順序，同時(shí)開(kāi)展超新星中微子、地球中微子、太陽(yáng)中微子等一系列國(guó)際領(lǐng)先的天體物理研究，鞏固我國(guó)在中微子研究領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。
關(guān)鍵器件已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化
項(xiàng)目啟動(dòng)，技術(shù)挑戰(zhàn)也隨之而來(lái)。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目積累下來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，雖然為江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供了支撐，卻無(wú)法解決新出現(xiàn)的所有技術(shù)問(wèn)題?？蒲腥藛T要面對(duì)的第一大挑戰(zhàn)，就是高量子效率光電倍增管的研發(fā)。
中微子看不見(jiàn)、摸不著，極難探測(cè)，被稱(chēng)為“幽靈粒子”。要想探測(cè)中微子，就需要極弱光探測(cè)技術(shù)，即光電倍增技術(shù)。該技術(shù)可以檢測(cè)微弱光信號(hào)，具有極高的靈敏度和超快的時(shí)間響應(yīng)，就像獵手敏銳的獵眼。光電倍增管是粒子物理及核物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵通用部件，其主要作用就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
當(dāng)初，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)采用了2000多支8英寸口徑光電倍增管，都是由美國(guó)合作者從日本購(gòu)買(mǎi)。
“對(duì)于江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)，這樣的光電倍增管已經(jīng)達(dá)不到要求。我們?cè)?008年提出實(shí)驗(yàn)設(shè)想時(shí)就意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了新型光電倍增管，啟動(dòng)了技術(shù)研發(fā)。但項(xiàng)目提前啟動(dòng)給研發(fā)帶來(lái)了巨大的壓力，直到2015年年底，我們?nèi)匀恍睦餂](méi)有底，到底能不能成功。”曹俊告訴記者。
2011年年底，由高能所牽頭，北方夜視技術(shù)股份有限公司、中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、中核控制系統(tǒng)股份有限公司和南京大學(xué)等單位組成了產(chǎn)學(xué)研合作組。
4年時(shí)間，他們攻克了高量子效率的光陰極制備技術(shù)、微通道板、大尺寸玻殼等多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，最終研制出量子效率、收集效率和單光電子峰谷比等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的樣管。
2016年11月，國(guó)內(nèi)首條年產(chǎn)7500支20英寸光電倍增管的生產(chǎn)線(xiàn)建成運(yùn)行。截至今年9月18日，江門(mén)中微子項(xiàng)目已經(jīng)得到了2016支國(guó)產(chǎn)光電倍增管。
“最高”和“最大”
2015年1月，項(xiàng)目啟動(dòng)建設(shè)。中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮為此發(fā)來(lái)賀信：“我國(guó)科學(xué)家在中微子研究領(lǐng)域邁出的重大步伐，對(duì)于鞏固我國(guó)在中微子研究的領(lǐng)先地位具有重要意義。”
“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)將致力于測(cè)量中微子的質(zhì)量順序，并進(jìn)一步精確測(cè)量中微子混合參數(shù)，其土建工程規(guī)模約是大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的3至5倍。”王貽芳曾在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。
按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的計(jì)劃和判斷，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅比大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)工程規(guī)模大，還將是世界上能量“精度最高”“規(guī)模最大”的液體閃爍體探測(cè)器。“精度越高，能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容就越多，因?yàn)榛蛟S就差那么一點(diǎn)點(diǎn)，我們就會(huì)錯(cuò)失認(rèn)識(shí)世界的機(jī)會(huì)。”曹俊說(shuō)。
實(shí)驗(yàn)要求探測(cè)器的能量精度達(dá)到3%，比當(dāng)前國(guó)際最高水平高1倍。要想實(shí)現(xiàn)“精度最高”，不僅探測(cè)光子的光電倍增管效率要高，發(fā)出光子的液體閃爍體也要效率高、透明度高。
為測(cè)試透明度，科研人員拿出了大亞灣實(shí)驗(yàn)八臺(tái)中微子探測(cè)器中的一臺(tái)?！澳壳拔覀円呀?jīng)完成了20噸液體閃爍體的光學(xué)純化和本底純化，光學(xué)性能已經(jīng)可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。放射性純化方面，我們還在用大亞灣的探測(cè)器作進(jìn)一步研究?！辈芸≌f(shuō)。
同時(shí)，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)要求有2萬(wàn)噸液體閃爍體，比當(dāng)前國(guó)際最大的液體閃爍體探測(cè)器大20倍，這為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間評(píng)審討論，項(xiàng)目最終選擇用有機(jī)玻璃罐裝液體閃爍體。這意味著工程建成后，江門(mén)的地下700米深處將有一個(gè)13層樓那么高的大玻璃球。
今天，有幸到江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)工地的人，能夠看到建設(shè)過(guò)半的巨大地下實(shí)驗(yàn)室。這是施工人員克服了多次萬(wàn)噸級(jí)地下涌水困難后建造出來(lái)的。而3年后，這里將成為科學(xué)家更清晰地觀測(cè)“幽靈粒子”的地方，也將成為中國(guó)領(lǐng)先國(guó)際中微子研究的新平臺(tái)。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2017-09-27 第1版 要聞)
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