作者 ｜ 倪思潔
廣東江門。
在一座名叫“打石山”的深山里，一群人正在地下700米深處，打造一個有巨型“水球”的神秘基地。
這里是目前國內(nèi)跨度最大的地下洞室，光是用來支撐水球的網(wǎng)殼就用了900噸不銹鋼材料。
這個基地被稱為“江門中微子實(shí)驗(yàn)”。
1月21日，隨著第一根16米高的不銹鋼支柱安裝就位，巨型“水球”的現(xiàn)場安裝工作成功邁出了第一步。
誰在建這個神秘基地？他們到底要干啥？地下巨型“水球”怎么造？對于這些問題，《中國科學(xué)報》專訪了江門中微子實(shí)驗(yàn)副發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹俊。
江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測器的不銹鋼網(wǎng)殼主結(jié)構(gòu)第一榀支撐柱吊裝現(xiàn)場 中科院高能物理所供圖
為什么在地下打造巨型“水球”？抓“幽靈”！
中微子是基本粒子世界中的“隱士”，號稱“幽靈粒子”，質(zhì)量小，不帶電，它們從人體穿過，從地球穿過，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用。
中微子的質(zhì)量順序，是研究中微子質(zhì)量及宇宙演化的基礎(chǔ)，也是國際中微子研究的核心問題。
江門中微子實(shí)驗(yàn)，就是用來捕捉中微子并測量中微子質(zhì)量順序的大科學(xué)工程。
作為已經(jīng)退役的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站的后繼者，江門中微子實(shí)驗(yàn)更加靈敏，規(guī)模也更大。
曹俊表示，2013年，江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正式立項(xiàng)，科研人員隨后開始對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行概念設(shè)計。
按照設(shè)計，江門中微子實(shí)驗(yàn)是位于地下700米，近12層樓高的地下洞室里，有一個大型的水池，一個中微子探測器，以及少量配套的設(shè)施。
中微子探測器是江門中微子實(shí)驗(yàn)的“心臟”，將裝滿2萬噸液體閃爍體和數(shù)萬只光電倍增管。
液體閃爍體是探測中微子的介質(zhì)，當(dāng)大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光。
液體閃爍體99.7%的成份是日用洗滌劑的一種原材料——烷基苯。
液體閃爍體會被密封在鋼和有機(jī)玻璃制作的容器中，然后被浸泡在一個巨大的水池中。
水池中將安裝可以將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的光電倍增管，中微子在液體閃爍體中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的閃爍光可以被光電倍增管捕捉到。
曹俊介紹，之所以這樣設(shè)計，是為了給探測器一個“干凈的環(huán)境”，“把探測器放在很深的地下，就可以用巖石來阻擋宇宙射線；把探測器泡在水池中，就可以用水來阻擋來自巖石、空氣、灰塵的天然放射性”。
中微子探測器示意圖 中科院高能物理所供圖
地下“水球”怎么造？三步！
“江門中微子實(shí)驗(yàn)的建設(shè)全流程大致分為三步?！辈芸≌f。
第一步是土建。2015年，江門中微子實(shí)驗(yàn)破土動工，開始地下實(shí)驗(yàn)室的土建工作，“這是國內(nèi)跨度最大的地下洞室，由于地下水超出了研究人員的預(yù)期，土建過程中，我們面臨了巨大困難，土建延期三年，直到2021年底才基本完成。”曹俊說。
土建完成后，“第二步是探測器安裝，將持續(xù)約1年半。安裝完后是第三步——液體閃爍體的生產(chǎn)與灌裝，大約需要半年時間?！辈芸≌f。
1月21日，江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測器的不銹鋼網(wǎng)殼主結(jié)構(gòu)第一榀支撐柱成功吊裝落位，標(biāo)志著江門中微子實(shí)驗(yàn)正式邁出了第二步。
“探測器現(xiàn)場安裝是江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)攻關(guān)的關(guān)鍵階段?！辈芸≌f。
他介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測器中的不銹鋼網(wǎng)殼是國內(nèi)最大的單體不銹鋼主結(jié)構(gòu)之一，直徑41米，將承載35.4米直徑的有機(jī)玻璃球、20000噸液體閃爍體、20000只20英寸光電倍增管、25000只3英寸光電倍增管，以及前端電子學(xué)、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多關(guān)鍵部件。
不銹鋼網(wǎng)殼的制造用了大約900噸低放射性本底的不銹鋼材料。
這些材料在工廠焊接成構(gòu)件后，被運(yùn)往實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，科研人員將用12萬套高強(qiáng)螺栓，把它拼接成型。
曹俊介紹，由于不銹鋼網(wǎng)殼對結(jié)構(gòu)制造的精度要求很高，為了制造這一不銹鋼網(wǎng)殼，科研人員從2013年項(xiàng)目立項(xiàng)開始就與設(shè)計、生產(chǎn)企業(yè)協(xié)同攻關(guān)。
他們解決了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形的問題，通過特殊工裝和工法完成了所有構(gòu)件在工廠的高精度預(yù)拼裝；研發(fā)并確定了不銹鋼表面粗化技術(shù)，該技術(shù)將不銹鋼表面抗滑移系數(shù)從普通的0.2提高到0.5以上；針對該項(xiàng)目的特殊需求，他們研制了高強(qiáng)不銹鋼短尾環(huán)槽鉚釘。
這些技術(shù)獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，其中不銹鋼短尾環(huán)槽鉚釘技術(shù)由中國機(jī)械通用零部件工業(yè)協(xié)會進(jìn)行了鑒定，首次用于鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并據(jù)此發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
誰來搞定大“水球”？“地下”工作者！
“現(xiàn)場安裝的開始意味著建設(shè)的主要工作已由土建隊伍轉(zhuǎn)交到科研隊伍手中?！辈芸≌f。
江門中微子實(shí)驗(yàn)探測器的現(xiàn)場安裝工作幾乎都要在地下完成。
“由于探測器巨大，我們只能將部件運(yùn)往地下實(shí)驗(yàn)室，在地下完成組裝?！辈芸≌f。
土建期間，科研人員已經(jīng)準(zhǔn)備好了相關(guān)部件。
“我們一直在同步開展探測器技術(shù)研發(fā)和部件生產(chǎn)，攻克了大量的關(guān)鍵技術(shù)問題，比如發(fā)明了世界上探測效率最高的光電倍增管，研制了最透明的液體閃爍體等等。目前大部分部件已在工廠完成生產(chǎn)，存儲在工廠或租用的倉庫、測試場地?！辈芸≌f。
比如，對于直徑35.4米有機(jī)玻璃球，科研人員準(zhǔn)備了265塊弧形有機(jī)玻璃板，其中最大一塊玻璃板有3米乘8米大小，厚度有12厘米，安裝時，他們要將這些玻璃板通過隧道運(yùn)到地下，然后在地下完成粘接。
“目前，在現(xiàn)場的科研人員約十幾人，加上安裝工人、各探測器系統(tǒng)的合同廠家人員、后勤和支撐隊伍，共有幾十人，將來高峰期應(yīng)該超過100人。”曹俊說。
曹俊告訴記者，疫情給他們的安裝工作帶來了不少困難，特別是在國際合作方面，由國外合作者負(fù)責(zé)研制的設(shè)備，本應(yīng)該由他們到現(xiàn)場來安裝，現(xiàn)在只能進(jìn)行“遠(yuǎn)程安裝”，即通過遠(yuǎn)程技術(shù)支持，由中方研究人員和安裝工人來配合完成，爭取在最后階段能有少量國外合作者到現(xiàn)場來完成設(shè)備調(diào)試。
據(jù)了解，江門中微子實(shí)驗(yàn)計劃于2023年投入運(yùn)行，設(shè)計壽命30年，建成后將與日本的“頂級神岡”探測器和美國的“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”設(shè)施形成三足鼎立之勢。
江門中微子實(shí)驗(yàn)站實(shí)拍 中科院高能物理所供圖
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