2023年，江門中微子實(shí)驗(yàn)將完成建設(shè)，逐步開始取數(shù)。屆時(shí)，世界將為之矚目，期待著它帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)。

　　斜井纜車在幽閉的隧道中行進(jìn)，15分鐘后，新京報(bào)記者從地面到達(dá)了地下700多米處的井底。沒(méi)有想象中那么涼爽，這里的巖石溫度達(dá)到31攝氏度，空氣悶熱高濕。

　　換上潔凈衣、在風(fēng)淋室吹淋后，通往實(shí)驗(yàn)大廳的大門緩緩開啟，隨著一座巨型鋼架矗立在眼前，大科學(xué)裝置——江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置露出了宏大精致的外觀。未來(lái)，它將為基本粒子世界中的“隱士”——中微子測(cè)量質(zhì)量順序，窺探宇宙的奧妙。

　　“幽靈粒子”

　　我們的身體，每秒鐘有億萬(wàn)個(gè)中微子穿過(guò)，但人們從未感受過(guò)它們的“親密接觸”。

　　中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子之三（電子中微子、繆中微子和陶中微子）。中微子的質(zhì)量非常輕，小于電子的百萬(wàn)分之一，以接近光速運(yùn)動(dòng)。

　　宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，每立方厘米大約有300個(gè)。中微子無(wú)處不在，恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、超新星的爆發(fā)、核反應(yīng)堆的運(yùn)行，以至于巖石中的放射性物質(zhì)衰變，都產(chǎn)生大量中微子。

　　但是，由于中微子與普通物質(zhì)的相互作用很弱，它們可以輕松穿過(guò)人體、建筑甚至整個(gè)地球而不被任何物質(zhì)吸收，不容易被檢測(cè)到。因此，無(wú)所不在的中微子是基本粒子中人類了解最少的一種，被稱為“幽靈粒子”。直到1956年，美國(guó)科學(xué)家才首次從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子。

　　中微子研究是國(guó)際粒子物理研究的熱點(diǎn)，是唯一有超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新現(xiàn)象并取得重大突破的方向，也是粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)研究的交叉前沿。中微子物理研究領(lǐng)域的幾次重大突破都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　1998年日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)和2001年加拿大SNO實(shí)驗(yàn)證明了中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質(zhì)量，對(duì)粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)具有重大影響，因而被授予2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　中微子研究簡(jiǎn)史。中科院高能物理所供圖

　　大亞灣實(shí)驗(yàn)

　　日本與加拿大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已知三種中微子之間的兩種相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（振蕩），標(biāo)志著中微子具有不為零的質(zhì)量，預(yù)示著必定存在超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。

　　原則上，三種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，應(yīng)該有三種模式。然而，第三種中微子振蕩模式一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在。

　　2003年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（中科院高能物理所）的科研人員提出設(shè)想，利用我國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，尋找中微子的第三種振蕩模式，并精確測(cè)量該振蕩的幾率。

　　經(jīng)過(guò)8年的醞釀和建設(shè)， 2011年12月，位于深圳市大亞灣核電站北部山地地下的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器開始運(yùn)行取數(shù)。大亞灣核反應(yīng)堆每秒鐘產(chǎn)生35萬(wàn)億億個(gè)中微子，為實(shí)驗(yàn)提供了豐富的中微子源。同時(shí)這里緊鄰高山，可以為地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽宇宙射線干擾。

　　開挖地下實(shí)驗(yàn)室并不容易，需要解決大量技術(shù)難題。大亞灣實(shí)驗(yàn)中方負(fù)責(zé)人是中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳，他舉例說(shuō)，在距核反應(yīng)堆很近的地方進(jìn)行爆破，是實(shí)驗(yàn)當(dāng)中遇到的巨大困難?！白罱K我們克服重重困難，安全完成了鄰近核反應(yīng)堆的約3000次爆破作業(yè)，建成了地下實(shí)驗(yàn)室?！?/p>

　　2012年3月，大亞灣實(shí)驗(yàn)迎來(lái)“高光時(shí)刻”，大亞灣國(guó)際合作組宣布首次探測(cè)到中微子的第三種振蕩模式，并以前所未有的精度，測(cè)得其振蕩大小為0.092，誤差為0.017，無(wú)振蕩的可能性僅為千萬(wàn)分之一。這一實(shí)驗(yàn)成果入選美國(guó)《科學(xué)》雜志2012年度十大科學(xué)突破，并獲得2016年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

　　完成了科學(xué)使命后，我國(guó)第一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置——運(yùn)行了9年的大亞灣核反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)于2020年12月退役。它使我國(guó)的中微子研究“從無(wú)到有”并跨入國(guó)際先進(jìn)行列。

　　大亞灣實(shí)驗(yàn)的成果，對(duì)精確部署未來(lái)中微子實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義，國(guó)際上立刻啟動(dòng)了多個(gè)中微子實(shí)驗(yàn)?！爸形⒆淤|(zhì)量順序”成了中微子實(shí)驗(yàn)研究的下一個(gè)重大問(wèn)題，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈。在我國(guó)，“接棒”大亞灣實(shí)驗(yàn)的江門中微子實(shí)驗(yàn)(JUNO)登場(chǎng)，和正在建設(shè)的日本頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)、美國(guó)的深層地下中微子實(shí)驗(yàn)(DUNE)“競(jìng)賽”。

　　撤場(chǎng)前的大亞灣實(shí)驗(yàn)大廳。中科院高能物理所供圖

　　地下700米

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)位于廣東省江門開平市金雞鎮(zhèn)，在地圖上連線，這里和陽(yáng)江核電站、臺(tái)山核電站可以畫出一個(gè)“等腰三角形”。核電站發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量中微子，物理靈敏度分析表明，實(shí)驗(yàn)室需距離反應(yīng)堆50-55公里，實(shí)驗(yàn)室的選址，正好和兩個(gè)核電站皆相距53公里。

　　“如果只有一個(gè)核電站，實(shí)驗(yàn)的造價(jià)要提高一倍?！蓖踬O芳說(shuō)。因?yàn)樵谕瑯泳嚯x下，探測(cè)到的中微子數(shù)正比于反應(yīng)堆放出的中微子數(shù)量以及探測(cè)器的靶質(zhì)量。若反應(yīng)堆減少，則探測(cè)器就要增大，從而提高實(shí)驗(yàn)造價(jià)。

　　在地圖上，江門中微子實(shí)驗(yàn)和陽(yáng)江核電站、臺(tái)山核電站構(gòu)成“等腰三角形”。中科院高能物理所供圖

　　同時(shí)，日常環(huán)境中存在大量的宇宙射線，它們?cè)谔綔y(cè)器中產(chǎn)生的信號(hào)將比中微子信號(hào)多上億倍。因此，中微子探測(cè)器還需要放在很深的地下，金雞鎮(zhèn)環(huán)繞的群山和花崗巖可以起到“屏蔽”宇宙射線的作用。

　　8月，新京報(bào)記者走進(jìn)江門中微子實(shí)驗(yàn)室，在井口乘坐纜車，順著與水平方向呈23度角的軌道向地下700米駛進(jìn)，開啟了“地殼探險(xiǎn)”。據(jù)工作人員介紹，纜車本身沒(méi)有動(dòng)力，下行時(shí)靠重力向下推進(jìn)，上行時(shí)靠鋼絲繩牽引。一旦出現(xiàn)鋼絲繩斷裂等情況導(dǎo)致纜車下行超速，纜車車輪的抱死裝置將啟動(dòng)，使纜車停下，確保人員安全。

　　乘坐纜車順著斜井前往地下700米的實(shí)驗(yàn)大廳。 新京報(bào)記者 張璐 攝

　　悠長(zhǎng)深邃的斜井中管道密布，作業(yè)的風(fēng)機(jī)在呼呼作響。行至斜井深處，空氣變得濕漉漉的，地面上出現(xiàn)了少量順勢(shì)而下的水流?！靶本畡傞_挖到100多米時(shí)，就出現(xiàn)地下涌水情況，隨著隧道越挖越深，斜井最大涌水量達(dá)530立方米/小時(shí)?！边@與勘查單位此前勘探時(shí)發(fā)現(xiàn)的最大180立方米/小時(shí)的涌水量有較大偏差。

　　為了避免地下水不斷涌出淹沒(méi)作業(yè)面，建設(shè)人員采用了“超前探水灌漿”的施工工藝。他們沿著作業(yè)面在巖石上打九、十個(gè)孔，灌入水泥漿并摻入水玻璃使其加快凝固。水泥漿沿著巖體裂隙，將地下水封堵在30米開外的地方。建設(shè)人員開挖掘進(jìn)25米后，預(yù)留5米作為保護(hù)層，繼續(xù)循環(huán)打孔注漿。地下水當(dāng)然也不能完全堵住，以防水壓太大把洞壓垮。在隧道兩側(cè)，每隔幾百米留有臨時(shí)集水井，部分地下水順著隧道凹槽流入井中，被水泵抽排到地面。1265.16米長(zhǎng)的斜井隧道就這樣被一點(diǎn)點(diǎn)挖了出來(lái)。

　　地下施工支洞頂拱滲水。中科院高能物理所供圖

　　“地下水的壓力非常大，甚至可以將鉆機(jī)中實(shí)心鉆桿頂歪，如果固定不牢，鉆桿在水壓作用下會(huì)像箭一樣回射出來(lái)。”據(jù)現(xiàn)場(chǎng)從事基建工作的閻良平介紹，在地質(zhì)情況如此復(fù)雜的情況下使用“超前探水灌漿”的施工工藝，水泥漿配比、注漿量、注漿壓力等參數(shù)都需要重新摸索改進(jìn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐并改進(jìn)配比，他們終于找到了最優(yōu)方法。

　　為了通向地下實(shí)驗(yàn)大廳，工程還建設(shè)了一口豎井，深達(dá)564.2米，直徑只有5.5米，由于不像斜井一樣可以攀爬，工作人員施工時(shí)要坐著“鐵桶”吊下去、提上來(lái)。

　　“變形金剛塔”與“鋼鐵鎧甲”

　　纜車到達(dá)了井底，這里的巖石溫度達(dá)到31攝氏度，空氣悶熱，地面濕滑。步行向下走了幾百米，汗流浹背的記者終于來(lái)到地下實(shí)驗(yàn)大廳的門口。

　　進(jìn)入潔凈間之前，所有人需要穿上潔凈衣、罩住頭發(fā)、戴上手套和鞋套、經(jīng)過(guò)風(fēng)淋室吹淋。風(fēng)淋室的大門向上開啟，像置身于科幻電影中一樣，一個(gè)巨大的鋼球和一個(gè)通天鋼塔直觀地矗立在記者眼前。

　　液壓升降平臺(tái)好似“變形金剛塔”，全程服役于有機(jī)玻璃球的安裝。中科院高能物理所供圖

　　“我們正處在一個(gè)巨大坑洞的坑底，實(shí)驗(yàn)大廳高71米，跨度達(dá)49.5米，是目前國(guó)內(nèi)跨度最大的地下洞室，內(nèi)有44米深的水池。”閻良平說(shuō)，地下大廳沒(méi)有一根立柱支撐，為了防止塌陷，穹頂和洞室四周布滿錨索，錨索深深扎入巖體，像擰緊的螺栓一樣對(duì)巖石施加預(yù)應(yīng)力，將巖石牢牢固定住。

　　未來(lái)，江門中微子實(shí)驗(yàn)的中心探測(cè)器——球形液體閃爍體探測(cè)器將浸泡在地下實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)44米深的水池中央，它由直徑41米的不銹鋼網(wǎng)殼、直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，以及2萬(wàn)噸液體閃爍體、2萬(wàn)只20英寸光電倍增管、2.5萬(wàn)只3英寸光電倍增管等關(guān)鍵部件組成。

　　頗具美感的巨大“鋼球”，就是中心探測(cè)器的主支撐結(jié)構(gòu)——不銹鋼網(wǎng)殼，它為其內(nèi)部與之間隔2米的有機(jī)玻璃球穿上了“鋼鐵鎧甲”。液壓升降平臺(tái)可謂“變形金剛塔”，它的直徑和高度逐層可變，全程服役于有機(jī)玻璃球的安裝。

　　從水池頂端俯瞰不銹鋼網(wǎng)殼全貌。中科院高能物理所供圖

　　未來(lái)，探測(cè)器建成后，容納探測(cè)器的水池將“封蓋”，探測(cè)器將“不見(jiàn)天日”地運(yùn)行30年。為了抓住難得的機(jī)會(huì)看看探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記者手腳并用，在僅能容納一人的狹窄鋼梯通道上攀爬起來(lái)。實(shí)驗(yàn)大廳的空調(diào)使這里的溫度保持在21攝氏度，但爬上12層樓高的平臺(tái)后，記者額頭已經(jīng)微微冒汗。

　　支撐有機(jī)玻璃球和各種儀器設(shè)備的“鋼球”，使用了大約900噸低放射性的不銹鋼材料。“相比碳鋼，不銹鋼比較軟，很難得到需要的剛度和精度，價(jià)格也昂貴。但鋼球要泡在水中30年，所以還是得用不銹鋼。”王貽芳說(shuō)，為了保證實(shí)驗(yàn)大廳的潔凈度，同時(shí)確保不變形，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有一處焊接，科研人員用12萬(wàn)套高強(qiáng)螺栓將不銹鋼構(gòu)件拼接成型。

　　最大的玻璃球

　　實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的研制有三個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，其一就是研制世界上最大的有機(jī)玻璃容器。

　　在大鋼球內(nèi)，有機(jī)玻璃球的安裝剛剛開始。工程人員揭開覆蓋物，晶瑩剔透的玻璃板露出光彩。“這是目前已知的最干凈、透明的有機(jī)玻璃，肉眼就能明顯看出它和普通有機(jī)玻璃的區(qū)別?！蓖踬O芳流露出自豪的神情，他說(shuō)，為了達(dá)到透明度的指標(biāo)，生產(chǎn)廠家新建了生產(chǎn)線，對(duì)各種材料成分進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)工具、模具也進(jìn)行了特殊的處理。

　　有機(jī)玻璃球厚12厘米，但對(duì)于直徑35.4米的玻璃球來(lái)說(shuō)，12厘米薄如蛋殼?？蒲腥藛T準(zhǔn)備了265塊球形有機(jī)玻璃板，最大的一塊9米長(zhǎng)、3米寬，它們將被分層逐一粘接，拼成玻璃球。粘接材料不是普通的膠水，而是有機(jī)玻璃本體材料。

　　從水池頂端俯瞰，黑色的水池內(nèi)壁十分醒目，工作人員可以在不銹鋼網(wǎng)殼內(nèi)的平臺(tái)上安裝有機(jī)玻璃球。 新京報(bào)記者 張璐 攝

　　此前，國(guó)際上最大的有機(jī)玻璃球直徑12米，用于加拿大SNO中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)場(chǎng)建造的過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)開裂，經(jīng)過(guò)反復(fù)修補(bǔ)，折騰了2年才完成。此次江門中微子實(shí)驗(yàn)的有機(jī)玻璃球直徑達(dá)35.4米，面積相當(dāng)于國(guó)外的10倍，要求工期卻只有10個(gè)月。

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總工程師馬驍妍告訴新京報(bào)記者，此前進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，他們邀請(qǐng)了很多國(guó)外的評(píng)委進(jìn)行方案評(píng)審。“人家覺(jué)得不可想象，說(shuō)只要你們能把這球做出來(lái)，用多長(zhǎng)時(shí)間都行。但我們的實(shí)驗(yàn)要跟國(guó)際上其他實(shí)驗(yàn)競(jìng)爭(zhēng)，不能慢了?！?/p>

　　尺寸大、精度高，是有機(jī)玻璃球研制的最大難點(diǎn)。前期設(shè)計(jì)上，科研團(tuán)隊(duì)集結(jié)了國(guó)內(nèi)高校和科研單位力量，不斷優(yōu)化方案。玻璃球設(shè)計(jì)得厚一些，結(jié)構(gòu)可靠度自然高，但是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還需要考慮成本。

　　在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，一般的廠家也不敢輕易接手?！斑@么大一個(gè)球，哪個(gè)廠家都沒(méi)做過(guò)，我們考察了大量廠家，和3個(gè)候選廠家一起做了兩年的預(yù)研工作。一方面考察廠家的生產(chǎn)制造實(shí)力，一方面考察他們的科研素養(yǎng)。廠家的科研團(tuán)隊(duì)要和我們一起琢磨這個(gè)事情，不斷摸索優(yōu)化?！瘪R驍妍說(shuō)，有機(jī)玻璃生產(chǎn)企業(yè)以往做的大多是海洋館項(xiàng)目，就算使用過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題，一般都可以提前觀察到并及時(shí)進(jìn)行處理，但探測(cè)器未來(lái)將在封閉的水池中運(yùn)行30年，沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行修復(fù)，不容有失。為此，科研人員用小的玻璃樣塊，不同種類的模型，反復(fù)試驗(yàn)。

　　玻璃板在工廠生產(chǎn)時(shí)，就要經(jīng)過(guò)板材澆筑、烘彎、加工、聚合、退火、打磨拋光、清潔、貼膜等多道復(fù)雜工序，來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)還要再吊裝、拼裝、測(cè)量、聚合、退火以及拼接縫處的打磨、拋光、清潔、貼膜等。目前玻璃板正從上往下逐層安裝，可以最大程度避免落物對(duì)有機(jī)玻璃造成損壞。光是玻璃球的安裝方案，科研團(tuán)隊(duì)就討論了三年，把所有細(xì)節(jié)和問(wèn)題想得清清楚楚。

　　接下來(lái)的安裝環(huán)節(jié)仍面臨極大挑戰(zhàn)，馬驍妍很沉穩(wěn)，“雖然已經(jīng)做了大量實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境畢竟不同，我們要慢慢來(lái)、開好頭，把各個(gè)環(huán)節(jié)理解透”。

　　“大儀器設(shè)備的生產(chǎn)，我們通常會(huì)培育兩家以上企業(yè)，避免只有一家企業(yè)時(shí)發(fā)生突然加價(jià)的情況。”王貽芳說(shuō)，如何把錢用在刀刃上，是一個(gè)大裝置負(fù)責(zé)人時(shí)刻要考慮的問(wèn)題。工程指標(biāo)、可實(shí)施性、科學(xué)目標(biāo)、經(jīng)費(fèi)、工期等各方面都要做到平衡。

　　最透明的液閃

　　未來(lái)在水池中，有機(jī)玻璃球內(nèi)外會(huì)先同時(shí)注滿最純凈的水，灌裝過(guò)程使其內(nèi)外壓力保持平衡。此后，科研人員會(huì)將球內(nèi)的水用置換的方法換成2萬(wàn)噸液體閃爍體（液閃），液閃將和光電倍增管共同探測(cè)中微子被“俘獲”時(shí)產(chǎn)生的閃爍光。

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器示意圖。中科院高能物理所供圖

　　世界上最透明的液體閃爍體，是探測(cè)器研制的第二個(gè)難關(guān)。

　　“液閃的衰減長(zhǎng)度大于20米?！苯T中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目液閃純化子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人蔡嘯解釋說(shuō)，光在經(jīng)過(guò)一段距離后會(huì)逐漸衰減，當(dāng)其強(qiáng)度變成原來(lái)的1/e（約為0.37）時(shí)，這段距離就叫做衰減長(zhǎng)度。中微子被“俘獲”時(shí)產(chǎn)生的閃爍光本身就很弱，如果液閃不夠透明，衰減長(zhǎng)度比較短，閃爍光將在傳輸過(guò)程中變得更弱，更難被光電倍增管探測(cè)到。

　　他進(jìn)一步解釋說(shuō)，從光學(xué)性能講，評(píng)價(jià)液閃透明度的關(guān)鍵指標(biāo)是衰減長(zhǎng)度。同時(shí)，從放射性角度講，液閃中的放射性雜質(zhì)去除得越干凈越好?！拔覀円蠓派湫遭櫟暮渴?0的負(fù)17次方?！?/p>

　　如何將液閃變得更透明？蔡嘯帶記者來(lái)到了液閃純化大廳，對(duì)四套純化設(shè)備進(jìn)行一一介紹。液體閃爍體最主要的材料是烷基苯，這種透明的油狀液體是制作洗滌劑的原材料。通過(guò)管道運(yùn)抵大廳的特制烷基苯，出廠時(shí)衰減長(zhǎng)度已然高達(dá)15米到20米。

　　先期到達(dá)場(chǎng)地的200噸烷基苯在大罐中用氮?dú)饷芊獗４?，將通過(guò)管道輸送至液閃純化大廳，用于設(shè)備調(diào)試。新京報(bào)記者 張璐 攝

　　接下來(lái)，科研人員要將烷基苯通過(guò)填滿氧化鋁粉末的吸附柱，進(jìn)行光學(xué)純化。氧化鋁的吸附過(guò)濾作用強(qiáng)，可以將烷基苯中的光學(xué)雜質(zhì)去除。接下來(lái)科研人員對(duì)烷基苯進(jìn)行蒸餾純化，降低其放射性本底。此后的烷基苯成為“溶劑”，科研人員會(huì)將兩種粉末狀的發(fā)光物質(zhì)倒入其中攪拌，混制配成高濃度的液閃。

　　液閃純化大廳中的蒸餾系統(tǒng)，用于蒸餾純化烷基苯。 新京報(bào)記者 張璐 攝

　　至此，純化過(guò)程僅僅完成了地上的兩個(gè)步驟，接下來(lái)將轉(zhuǎn)入地下。液閃將通過(guò)管路輸送到地下的純化裝置，經(jīng)過(guò)水萃取、氣體剝離等工序，進(jìn)一步去除液閃中的鈾、釷、鉀、氡等放射性元素，最終液閃的衰減長(zhǎng)度可以達(dá)到20米以上。2萬(wàn)噸液閃中，灰塵總量不能超過(guò)0.008克。

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)的液閃純凈度，比大亞灣實(shí)驗(yàn)提高了1000倍以上。蔡嘯說(shuō)，以上種種復(fù)雜的純化工序，在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)時(shí)都沒(méi)有使用到。此次科研人員參考了國(guó)外純化實(shí)驗(yàn)，查閱了大量文獻(xiàn)，進(jìn)行了5年多的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并研制了設(shè)備，改進(jìn)了工藝。

　　“我是學(xué)高能物理的，但在研發(fā)純化設(shè)備時(shí)，我覺(jué)得自己成了‘化工人’?！彼f(shuō)道。

　　最靈敏的“黃金瞳”

　　鋼球內(nèi)壁，密密麻麻地排滿了2萬(wàn)只20英寸光電倍增管。這些橢圓形的“黃金瞳”像探測(cè)器的眼睛，將捕捉液體閃爍體發(fā)出的閃爍光，將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)記錄下來(lái)，再分析是不是由中微子發(fā)出的。

　　光電倍增管，大的是20英寸光電倍增管，共2萬(wàn)只；小的為3英寸光電倍增管，共2.5萬(wàn)只。中科院高能物理所供圖。

　　“中微子很難和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但它們打到液閃中的發(fā)光物質(zhì)上，會(huì)發(fā)出極微弱的光。科研人員需要用光電倍增管，將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)后再放大1000萬(wàn)倍?！瘪R驍妍說(shuō)，光電倍增管之間的間隙僅為3毫米，緊密排列是為了減小死區(qū)，從而探測(cè)到更多的光子。

　　探測(cè)器研制最難的一道關(guān)，就是世界上探測(cè)效率最高的光電倍增管。

　　在江門中微子實(shí)驗(yàn)之前，20英寸光電倍增管的生產(chǎn)被日本濱松公司壟斷。徐美杭是中科院高能物理所實(shí)驗(yàn)物理中心光電倍增管測(cè)試與防護(hù)系統(tǒng)的骨干。她說(shuō)：“當(dāng)時(shí)一只管加上后面的防水封裝，市場(chǎng)價(jià)大概是5萬(wàn)元，濱松公司知道我們正在研制后，給我裸管的報(bào)價(jià)降到了3.3萬(wàn)元?！?/p>

　　按照一根管子5萬(wàn)元計(jì)算的話，光2萬(wàn)只管子就要10億元，而實(shí)驗(yàn)的總投入才20億元。如果光電倍增管不能做到國(guó)產(chǎn)化，國(guó)外廠家的要價(jià)不可能降下來(lái)?！霸谥锌圃焊吣芪锢硭臓款^下，科研團(tuán)隊(duì)一邊加緊國(guó)產(chǎn)化研制，一邊向外界傳遞出‘我們能做出來(lái)’的積極信號(hào)。”

　　“核心關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的自主可控，對(duì)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)研究的目標(biāo)是極其重要的。我們不僅要做到國(guó)產(chǎn)化，還要將指標(biāo)做到國(guó)際領(lǐng)先?！蓖踬O芳說(shuō)，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)探索和聯(lián)合攻關(guān)，2020年，1.5萬(wàn)只國(guó)產(chǎn)光電倍增管全部出廠并通過(guò)驗(yàn)收。“光電倍增管在上世紀(jì)30年代就被發(fā)明了，在過(guò)去的七八十年間，它的探測(cè)效率基本維持在10%-15%之間?！彼f(shuō)，此次國(guó)產(chǎn)光電倍增管探測(cè)效率大于30%，相比之下，日本濱松光電倍增管的效率也只達(dá)到28.5%。

　　光電倍增管需要在水里工作，所以必須進(jìn)行防水封裝。防水封裝的難點(diǎn)在于，其失敗率要求非常苛刻——六年的失敗率不能超過(guò)0.5%。也就是6年里，200個(gè)光電倍增管中只能有1個(gè)因漏水而損壞。而此前，國(guó)際上其他中微子實(shí)驗(yàn)的這一數(shù)字通常為5%以上。

　　“雖然要求前六年的數(shù)據(jù)，但我們的實(shí)驗(yàn)都是按照20年來(lái)做的?！毙烀篮颊f(shuō)，團(tuán)隊(duì)制作了200個(gè)模型，給它們創(chuàng)造了加速老化的環(huán)境，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)，計(jì)算防水封裝的可靠性。

　　光電倍增管防護(hù)還有另一個(gè)必須關(guān)注的問(wèn)題——防止在水中產(chǎn)生鏈?zhǔn)奖āＳ捎诠怆姳对龉軆?nèi)部是真空，一旦一個(gè)發(fā)生爆炸，水下沖擊波會(huì)導(dǎo)致一連串光電倍增管爆炸，像被點(diǎn)燃的鞭炮一樣，被稱為“殉爆”。2001年，日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)注水時(shí)，就發(fā)生過(guò)這樣的災(zāi)難性事故，損失了8000多個(gè)光電倍增管?！盀榱朔乐寡潮陌l(fā)生，我們給每個(gè)光電倍增管都加裝了由有機(jī)玻璃和不銹鋼組成的防護(hù)罩?！?徐美杭說(shuō)。

　　記者采訪當(dāng)天，第一批光電倍增管從測(cè)試與封裝基地運(yùn)達(dá)江門中微子實(shí)驗(yàn)室，將被運(yùn)往700米的地下?！案杏X(jué)像呵護(hù)了多年的孩子要離家獨(dú)自生活了一樣，有點(diǎn)舍不得，但前方的路我們已經(jīng)鋪好了?！彼f(shuō)。

　　科學(xué)目標(biāo)

　　所有設(shè)備就位后，浸泡著探測(cè)器的水池將注滿高純水，以屏蔽中微子之外的其他物質(zhì)。明年夏天，水池上方將用氮?dú)夥庾。⑸w上“黑蓋子”，將光和空氣隔絕。江門中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)壽命是30年，蓋子再度開啟，要等到30年后。

　　如果不是近距離感受大科學(xué)裝置，很難想象這樣一個(gè)“超級(jí)工程”，要處置的繁雜細(xì)節(jié)如此之多。被問(wèn)及是否焦慮，江門中微子實(shí)驗(yàn)的“總指揮”王貽芳給出了否定的答案?！八凶铍y的問(wèn)題已經(jīng)提前得到解決?！?/p>

　　目前國(guó)際上共有三個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)。王貽芳說(shuō)，中國(guó)的江門中微子實(shí)驗(yàn)、日本頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)、美國(guó)DUNE實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)有相似的地方，包括中微子質(zhì)量測(cè)序等，“但我們將比他們?cè)?-5年”。

　　研究中微子對(duì)理解宇宙演化具有很重要的意義?！爸形⒆淤|(zhì)量的大小和每個(gè)人都有關(guān)系，如果其質(zhì)量為0，宇宙中的密度漲落不會(huì)存在，宇宙可能是平靜、死寂的，沒(méi)有星系、銀河系、太陽(yáng)和我們”。

　　同時(shí)，中微子是研究天體和地球內(nèi)部的探針，將在檢驗(yàn)超新星爆發(fā)機(jī)制、驗(yàn)證地球物理模型、研究太陽(yáng)物理等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。江門中微子實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)每天能捕獲到60個(gè)反應(yīng)堆中微子、4個(gè)大氣中微子、1個(gè)地球中微子以及上千個(gè)太陽(yáng)中微子。

　　超新星對(duì)于宇宙的演化非常重要。據(jù)王貽芳介紹，超新星爆發(fā)后，其能量的99%以上是由中微子發(fā)出的。1987年，日本物理學(xué)家小柴昌俊成功觀測(cè)到10個(gè)超新星爆發(fā)時(shí)的中微子，由此獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。截至目前，人類總共才看到20個(gè)超新星爆發(fā)中微子。如果類似的近距離有超新星再爆發(fā)一次，幾秒之內(nèi)，江門中微子實(shí)驗(yàn)就可以看到5000個(gè)超新星爆發(fā)中微子。

　　根據(jù)理論計(jì)算，在銀河系中，每100年有2次左右的超新星爆發(fā)。但目前，人類已經(jīng)有400年沒(méi)有觀測(cè)到銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)。他說(shuō)，希望江門中微子實(shí)驗(yàn)在“有生之年”可以趕上一次。

　　同時(shí)，宇宙中還存在大量超新星遺跡中微子，是以往超新星爆發(fā)產(chǎn)生的?！袄碚撋嫌?，但目前沒(méi)有人看到過(guò)。我們希望實(shí)驗(yàn)可以首次看到超新星遺跡中微子，這對(duì)我們理解超新星爆發(fā)的模型、能譜和整個(gè)過(guò)程非常重要?！?/p>

　　王貽芳稱，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的10年內(nèi)，隨著數(shù)據(jù)量不斷積累，將解決中微子質(zhì)量測(cè)序問(wèn)題，下一步，實(shí)驗(yàn)將探索無(wú)中微子雙β衰變問(wèn)題。

　　2023年，江門中微子實(shí)驗(yàn)將完成建設(shè)，逐步開始取數(shù)。屆時(shí)，世界將為之矚目，期待著它帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)。

引自新京報(bào)2022.8.20版 原地址：https://m.bjnews.com.cn/detail/166098291814239.html?shareuser=154639982812114