在江門開平市金雞鎮(zhèn),一座不起眼的花崗巖山體不時傳來隆隆的機器轟鳴聲。在這座山體之下700多米深處,施工人員正在緊張挖掘著一個迄今世界最大的實驗洞室。
▲實驗室位于在地下700米的山洞里,實驗室呈圓形,從底部到頂部落差70米,正在進行開挖施工。
這就是江門中微子實驗室的建設(shè)現(xiàn)場。
近日,記者來到施工現(xiàn)場,見到了中科院高能物理研究所研究員、江門中微子研究中心主任李小男。作為中國兩代中微子實驗的見證人之一,李小男向記者講述了江門中微子實驗的“前世”和“今生”故事,一個由中國人主導的、有望沖擊諾貝爾獎的世界先導性基礎(chǔ)科研項目“輪廓”逐漸在記者腦海中清晰起來。
大亞灣實驗為江門實驗奠定良好基礎(chǔ)
講到江門中微子實驗之前,不得不提到它的前身——2020年12月12日剛剛宣布退役的“深圳大亞灣中微子實驗”。
近代物理學研究認為,物質(zhì)世界是由12種基本粒子組成的,而這12種粒子中有3種是中微子。學界有一種理論叫做“標準模型理論”,描述了我們物質(zhì)世界是怎么由這12種基本粒子組成的。在標準模型里,中微子是不帶質(zhì)量的。但是,科研人員在實驗中發(fā)現(xiàn)了中微子的振蕩現(xiàn)象,這意味著中微子是有質(zhì)量的。
而深圳大亞灣實驗則進一步發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩現(xiàn)象!
這個由中國人主導的、歷時9年的大亞灣中微子實驗成功發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式θ13,且實驗達到了前所未有的精度。在此之前,中微子前兩種振蕩模式“太陽中微子之謎”(θ12)和“大氣中微子之謎”(θ23)已被證實。由于第三種中微子振蕩的相關(guān)實驗長期未果,因此有理論預言它根本不存在。然而,大亞灣實驗改變了這個預言。
工人在隧道盡頭俯瞰實驗井。
李小男說,中微子混合角θ13的發(fā)現(xiàn),是我國中微子研究的里程碑,其重大意義體現(xiàn)在兩方面:一方面是在技術(shù)上實現(xiàn)了一系列突破,例如研制成功擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中微子測量儀器——大尺寸微通道板型光電倍增管,打破了國際壟斷;另一方面是系統(tǒng)培養(yǎng)了一批從實驗室建設(shè)到物理分析全程參與的科研人才,他們也將成為江門實驗的主力軍。而這些都是未來開展江門實驗的底氣。
“大亞灣實驗成果獲得了2016年度國家自然科學獎一等獎,并被國外同行譽為‘中國有史以來最重要的物理學成果’,由此,我國的中微子研究就一舉跨入了國際領(lǐng)先地位?!崩钚∧凶院赖卣f。
退役前,大亞灣實驗已將中微子振蕩振幅的測量精度從2012年的20%提高到了3.4%,預期最終精度將好于3%。但由于大亞灣實驗已達極限,無法再提高精度,最終宣布退役。
預計在2023年整個實驗室可以投入運行
今天的江門中微子實驗室又將承擔什么新的科研任務(wù)呢?
“在這里,我們要為中微子‘稱重’?!崩钚∧姓f。跟隨李小男走進江門實驗的辦公樓,入眼便看到墻面展板上寫著“中微子下一個挑戰(zhàn)目標——測量中微子質(zhì)量順序”。
李小男介紹,中微子質(zhì)量順序?qū)嶒瀸⒎謨刹竭M行:第一步是通過對中微子振蕩波形分析,確定目前已知的三種中微子的質(zhì)量順序,判斷三種中微子誰重誰輕,這項研究預計5至6年后能得到結(jié)論;第二步將實驗升級改造,確定中微子質(zhì)量的具體大小,同時與無中微子“雙貝塔衰變實驗”一起研究,判定中微子是否為其“反粒子”,這是影響中微子天文學和中微子宇宙學的重要因素。令人振奮的是,雙貝塔衰變是最稀有的衰變之一,一旦被觀測到,可以得到一些最基本的物理學線索,將有望沖擊諾貝爾獎。
那么江門實驗室將如何建設(shè)才能滿足實驗要求?
李小男介紹說,盡管中微子充斥整個宇宙空間,但其質(zhì)量極輕、接近光速運動、極少與其他物質(zhì)相互作用,被稱為“幽靈粒子”,很難被捕捉到。由于核反應(yīng)堆發(fā)電的過程中會產(chǎn)生大量中微子,是很強烈的中微子源,因此實驗站一般選址在核電站附近,這樣更有利于捕捉到中微子。這就是為什么江門實驗室建在陽江、臺山核電站附近的原因。
李小男說,地球外的帶電粒子叫宇宙線,會產(chǎn)生很多信號,而中微子本身的信號非常弱,如果實驗室建在地面上,宇宙線產(chǎn)生的信號會把中微子信號全部掩蓋掉。為了屏蔽地球外的帶電粒子,中微子實驗室一般都是建在地下,通過山體或者地球的覆蓋層,把帶電粒子屏蔽掉。
除了有宇宙線影響以外,我們周邊的放射性巖石或者空氣中的放射性,甚至人體中的放射性,都可能對實驗產(chǎn)生影響,所以實驗設(shè)施都是泡在水里的,而且這個“水”必須是純凈水,通過純凈水把周邊的帶電離子屏蔽掉。
因此,江門實驗室要在地下700米深處挖一個實驗洞室(又稱實驗大廳),然后在實驗大廳還要向下挖一個46米深的水池,把中微子的實驗設(shè)備泡在水池子里。
這個實驗設(shè)備叫做中微子中心探測器,是一個直徑35米的有機玻璃球。在有機玻璃球里要灌上2萬噸的液體閃爍體,通過液體閃爍體來捕捉和研究中微子(見《江門中微子探測器示意圖》)。這就是整個實驗的一個布置。
"所以我們的工程在2015年1月10號開工建設(shè),主要分成兩步:第一步得把實驗洞室挖出來。現(xiàn)在水池的底部已經(jīng)露出來了,2020年底基本結(jié)束水池的挖掘。
洞室挖出來以后,第二步要安裝實驗設(shè)施,大概需要兩年半的時間把實驗設(shè)施安裝到地下洞室中去。完成以上兩個步驟,預計在2023年整個實驗可以投入運行。"
建成后的江門實驗室將擁有兩個世界“最大”:國際上最大的科研實驗洞室和國際上最大的中微子中心探測器。
將安裝國際上最大超高純凈度液閃探測器
江門實驗整個工程建設(shè)包含地面、地下兩部分。地面建筑包括裝配大廳、絞車房、地上動力中心等;地下建筑包括斜井、豎井、實驗大廳(即中心洞室)、附屬洞室。目前,地面建筑以及地下實驗大廳的兩個入口——1267米的斜井、564米的豎井已完成建設(shè)。
實驗室配套基建工程項目經(jīng)理戚敬師介紹說,地下實驗大廳是一個跨度達50米的中心洞室,從大廳挖下去的水池有46米深,從大廳向上挖到穹頂處為27米,整個洞室總高73米。洞室穹頂全依靠山體巖石自身的穩(wěn)定性來支撐,穹頂?shù)降孛娌荒苡腥魏沃又?;水池?nèi)面襯砌需要用混凝土進行澆筑,這相當于給一座十二、三層樓高的樓體墻面澆筑,并要做到不能有滲透、漏水。此外,地下體感溫度超30℃,大量地下水隨時噴涌。在這種高溫高濕狀態(tài)下施工,其難度可想而知??上驳氖牵?020年末,實驗水池施工已基本完成,開始進入基建電氣設(shè)備安裝階段。
“你看到的所有基建,全是為了中微子探測器服務(wù),它才是捕獲中微子的武器。”李小男透露,未來,探測器關(guān)鍵部件——有機玻璃球,以及在水池中支撐玻璃球的不銹鋼網(wǎng)架生產(chǎn)出來后,會運到地面的裝備大廳簡單組裝,再通過斜井運往地下水池完成拼裝,最后通過豎井從地面將高純水灌滿已經(jīng)放置了有機玻璃球探測器的水池。
探測器如何捕獲中微子?李小男介紹,探測器里裝滿透明的液體閃爍體(簡稱“液閃”),液閃主要成分是用來制作洗衣粉的化工原料烷基苯。當捕獲中微子時,液閃將發(fā)出微弱的閃光,閃光被安裝在探測器表面的類似燈泡的光電倍增管捕捉,并將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號,通過計算機再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后就可為科研所用。
值得注意的是,江門實驗的探測器可容納重量達2萬噸的液閃,比大亞灣實驗的20噸大了整整1000倍;同時,探測器的關(guān)鍵部件有機玻璃球直徑達35.4米,為國際最大;不銹鋼網(wǎng)架直徑也長達40.1米。建成后它將成為國際上最大、擁有國際最好能量精度與超高純凈度的液閃探測器。
未來,這個大型探測器表面將鋪滿近1.8萬個20英寸直徑的圓形光電倍增管,在這些光電倍增管之間形成的縫隙空間再鋪設(shè)3萬個小型光電倍增管,以使探測器表面盡可能多地覆蓋大小光電倍增管,從而能捕獲到更多的中微子。目前江門實驗的探測器光電倍增管覆蓋率設(shè)計達到78%。從《江門中微子探測器示意圖》可以看到,整個探測器若一顆金黃閃亮的玻璃球。
探測器的容量擴大是為了能夠捕捉到更多的中微子事例,但也為前期的建設(shè)帶來了巨大難題,比如:對液閃透光度的把握、有機玻璃球的制作、大尺寸光電倍增管的研發(fā)等都是巨大的考驗?!霸诖髞啚硨嶒炇抑睆?米的探測器中,中微子的光子只用跑5米就能被光電倍增管捕捉;但在這個35米直徑的探測器中,中微子的光子至少要能夠在液閃中跑20米,這需要極高的透光度。”李小男表示。
目前,探測器研制的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題均已攻克,比如高性能的液體閃爍體已完成中試研究。李小男說,預計2021年中將完成基建施工并開始探測器的整體安裝,2023年開始運行取數(shù)。
將通過中微子探測手段
研究天體自然現(xiàn)象
目前,國際上能與江門實驗競爭的有兩大實驗,分別是美國沙丘實驗、日本頂級神岡實驗,他們均可測量中微子質(zhì)量順序。不同的是,美、日研究是通過加速器實現(xiàn)人工產(chǎn)生中微子來進行研究?!把芯咳斯ぎa(chǎn)生的中微子,其缺點在于數(shù)目少,但能夠精確知道中微子產(chǎn)生的方向,可降低測量難度;我們研究的中微子相當于核反應(yīng)發(fā)電的附屬產(chǎn)品,其方向、能量不確定,會給實驗增加難度,但核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子數(shù)量非常多,容易捕捉到,這是我們的優(yōu)勢?!崩钚∧薪忉尩?。
李小男進一步向記者“科普”道,太陽、地球包括超新星爆發(fā)等等都會產(chǎn)生中微子,我們通過觀測這些天體發(fā)射的中微子,就可以研究天體的一些現(xiàn)象,比如太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu),地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。因此,江門實驗的意義在于,既可以研究中微子本身的性質(zhì),還可以通過中微子這個探測手段去研究天體的自然現(xiàn)象。
李小男以超新星爆發(fā)為例解釋說,超新星爆發(fā)的能量99%是通過中微子釋放出來,探測百年難遇的“超新星爆發(fā)中微子”是江門中微子實驗的一個重要課題,該課題將有利于揭示宇宙形成的奧秘。
“依靠即將建成的國際最大液閃探測器,江門實驗對中微子的研究會更加廣泛,這是江門實驗最重要的意義所在?!崩钚∧姓f。
中微子研究已成為現(xiàn)代物理研究的熱門領(lǐng)域,自從上世紀30年代人類發(fā)現(xiàn)中微子到現(xiàn)在,在中微子領(lǐng)域頒發(fā)的諾貝爾獎就已經(jīng)有4人次。因此,江門實驗的科研成果也格外值得期待。
但李小男對于江門實驗的最終成果能否獲得諾貝爾獎卻顯得很平和,他笑著說:“實際上諾貝爾獎是可遇而不可求的。從科研的角度來講,我們首先要完成科研任務(wù),而并不是奔獎去的。當然我們的科研目標可以是諾貝爾獎級別的,但所謂諾貝爾獎也好,國家自然科學一等獎也好,都是一個同行的承認而已,我們并不追求這個東西。我們現(xiàn)在能做的就是在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上,盡可能地優(yōu)化實驗設(shè)計,剩下的就是等待實驗給我們帶來的驚喜!”。
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江門實驗奠定中國中微子研究領(lǐng)域國際領(lǐng)先地位
江門中微子實驗室地面建筑。
■深圳特區(qū)報記者 古國真 李竹
“如果說大亞灣實驗是我國中微子研究的起點,那么江門實驗無論從工程還是物理的角度來看,都是一次巨大的跨越。” 中科院高能物理研究所研究員、江門中微子研究中心主任李小男擲地有聲。
江門實驗被定義為“跨越”的實驗
深圳大亞灣中微子實驗是我國在歷史物理研究里第一個“由我主導”、在中國本土上進行的中微子實驗,是我國在中微子研究這個領(lǐng)域的一個打基礎(chǔ)、里程碑的實驗。有了深圳大亞灣中微子實驗,我國中微子領(lǐng)域研究一舉跨入國際領(lǐng)先地位。在2012年發(fā)現(xiàn)新的中微子震蕩后,中科院就啟動了江門中微子實驗建設(shè)。
從工程規(guī)模來看,彼時大亞灣實驗總投資僅2.6億元人民幣,而江門實驗總投資達22億元人民幣(含國際合作貢獻2億元人民幣);從實驗影響力來看,大亞灣實驗成立的國際合作組有7個國家和地區(qū)、31個研究機構(gòu)、180名研究人員參與,而江門實驗則有17個國家和地區(qū)、77個研究機構(gòu)及大學、450名研究人員(包括境外人員約200人)參與,實驗影響力不斷增大;從物理學研究角度來看,深圳大亞灣實驗對于中國的中微子研究是一個“起步”實驗,江門實驗則是一個被定義為“跨越”的實驗。通過江門實驗,將基本上奠定中國在中微子研究領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
選址有科學講究
為什么中微子研究都選址在核電反應(yīng)堆附近?這是因為我們要研究中微子,首先得有中微子的“源”。李小男介紹說,太陽的核聚變、放射性元素衰變、核反應(yīng)堆的核裂變等都是中微子的來源。但核反應(yīng)發(fā)電時產(chǎn)生的中微子數(shù)量更多,每秒能產(chǎn)生上萬個中微子,更易被探測器捕捉到。
為尋找符合條件的地域,李小男回憶道:“大部分核電站建在海邊,2012年10月起,我們沿海一直走,途經(jīng)惠州、東莞等市,南下行至江門開平,在金雞鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)了滿足所有建設(shè)條件的山體?!?/font>
最終,江門實驗選址定于金雞鎮(zhèn)一座山體之下,距陽江、臺山核電站各53公里。根據(jù)物理靈敏度分析,實驗站范圍在距核反應(yīng)堆50至55公里處,中微子振蕩現(xiàn)象最大,最有利于測量中微子的質(zhì)量。同時,二類花崗巖是唯一能保持地下洞室穩(wěn)定性的地質(zhì)材料。為確保中微子振蕩守恒,江門實驗站與兩個核電站等距,構(gòu)成“等腰三角形”。
建成后將成為科普基地
江門實驗站跟深圳大亞灣實驗站不一樣。大亞灣實驗站在設(shè)計時有實驗周期;但江門實驗站實際上是一個永久的實驗設(shè)施,這是因為江門實驗研究的內(nèi)容非常廣泛,相當于一個氣象站或者天文臺一樣,它將是一個永久的實驗室。
大亞灣實驗已于2020年12月12日光榮退役,而江門實驗站還要2年才能完全建好,這期間我國中微子研究的進程是否會停滯?李小男介紹說,大亞灣實驗站現(xiàn)剛剛關(guān)閉,其設(shè)備拆卸撤場工作預計在半年內(nèi)完成。大亞灣實驗運行接近9年,累積了大量中微子事例數(shù)據(jù),需要經(jīng)過1至2年才能完成全部數(shù)據(jù)分析,出最終物理結(jié)果。按照計劃,當2年后大亞灣數(shù)據(jù)分析完成時,江門實驗站也剛好建設(shè)完畢,屆時兩項實驗的科研工作可以順利銜接。
李小男透露,江門中微子實驗站建成后,其地下實驗大廳獲取到的數(shù)據(jù)將自動直接傳回北京高能所做相關(guān)計算及分析。屆時,地面裝配大廳將改建成高能物理或中微子科普展覽館,同時開放地下實驗大廳,以預約制的形式對公眾開放。
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記者深入地下700米隧道直擊實驗室施工現(xiàn)場
在地下700米處,施工隧道星羅棋布。
■ 深圳特區(qū)報記者 李偉文 文/圖
江門中微子實驗室目前正處于最緊張的土建施工階段,在工程師帶領(lǐng)下,2020年12月23日,記者深入施工現(xiàn)場,實地探尋建設(shè)中的實驗室。
換上長雨靴,帶上安全帽,穿上反光服,記者穿戴整齊,向秘境進發(fā)。一條筆直的隧道傾斜而下,坡度約30度,深不見底,記者坐著纜車一路向下向地殼深處探尋。陪同的工程師介紹,這個隧道有1000米長,落差700米。因為中微子實驗室需要很潔凈的環(huán)境,要用厚厚的地殼過濾各種宇宙射線,因此選址的地質(zhì)條件很嚴苛,必須是花崗巖地貌,巖層中不能有放射性元素,江門一帶都是低矮的丘陵,為了獲得足夠厚度的巖層過濾宇宙射線,只有往地底下深挖,把實驗室建在在地下700米的地方。
過了約20分鐘,纜車停了下來,下了纜車進入另一條隧道,這條隧道坡度和緩近似水平,讓人驚訝的是隧道底部一側(cè)居然有一條小溪流。工程師說,這里地下水豐富,從巖縫里流出的地下水匯入隧道,為了排水,他們在隧道底部挖了凹槽,每隔幾百米在挖一個深池,把地下水收集起來再抽到地表。這里地下水水量很大,每小時要抽走5百立方米地下水,一天24小時抽水不能停頓。為什么不把巖縫堵???一是水量大,二是水壓大,所以無法堵住。工程師說他們施工最大的難點就是地下水,南方的地下水非常多,有一次施工人員剛鑿開巖層,巨量的地下水噴涌而出,工人拼命逃離,地下水很快漫上來,最后在水快要灌滿的時候他們逃到了豎井安全脫險。
沿著隧道往下走約20分鐘,轟鳴聲驟然加大,一個巨大的圓坑出現(xiàn)在眼前,圓坑深約40米,往上看是一個巨大的穹頂,穹頂約有30米高,圓坑和穹頂之中沒有一根柱子,支撐巨大的穹頂全靠巖石的張力。雖然沒有柱子,但穹頂卻很堅固,工程師說穹頂和圓坑四壁布滿“鉚釘”,“鉚釘”深深扎入巖體,把巖石牢牢固定住。站在圓坑邊沿往下看,40米深的底部3臺鉤機正在作業(yè),把打碎的巖石送到運送石料的斗車上,目前還處在基坑施工階段,圓坑四周和穹頂噴鑄了一層混凝土,但還沒有做細致的表面處理。
地殼深處700米的地方,悶熱高濕,溫度約30度,濕度達到90多,濕度幾乎飽和,記者站了一會就渾身濕透,而施工人員在井下一呆就是大半天,不由得對他們肅然起敬。
記者站立的地方處在實驗室的平層,下方的圓坑將放置實驗裝置。工程師介紹說,2021年中旬,實驗室將完成土建,設(shè)備安裝還需要2年時間。實驗室建成后,這里將誕生一個世界級的科學裝置,在地殼深處探尋宇宙的秘密。
(源自《深圳特區(qū)報》2021-01-15要聞版 地址:http://sztqb.sznews.com/PC/layout/202101/15/node_A04.html#content_977369)
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