在700米地下，與“宇宙幽靈”約會

半月談記者 陳宇軒 張泉

為了揭開宇宙最深邃的奧秘，科學家把目光投向地下700米的地方。

在位于廣東江門開平市的江門中微子實驗大廳，從2013年立項至今，中國科學家花了11年時間設計、建造了一座位于地下700米的巨型探測器，用來捕捉有“宇宙幽靈”之稱的中微子。

探測中微子，到底為何如此重要，又如此困難?

深入地下700米

從廣東江門開平市區(qū)出發(fā)，驅(qū)車大約一個小時，一片坐落在青山中的建筑群映入眼簾。換乘簡易罐籠，聽著耳邊金屬碰撞發(fā)出的叮當聲，5分鐘左右可以到達位于地下700米的實驗大廳。

一座大科學裝置，為什么要建在如此偏僻的地方?為什么要把探測器放置在700米深的地下?

據(jù)大裝置的“管家”——中國科學院高能物理研究所科研人員介紹，江門中微子實驗的主要工作，其實是測量核電站反應堆的中微子振蕩，核電站反應堆熱功率越大，釋放的中微子數(shù)目就越多，實驗精度就越高，尤其是當實驗裝置距離核電站反應堆50至55公里時，中微子振蕩出現(xiàn)極大值，對中微子質(zhì)量順序的測量最靈敏。江門中微子實驗所在位置，距離附近的陽江核電站和臺山核電站均為53公里，三地形成一個等腰三角形，這樣就可以最大限度利用兩個核電站的總功率。

放置在地下700米深處，則是出于“安靜”的要求?？蒲腥藛T說，由于地面上有很強的宇宙射線，會干擾對中微子的探測。700米的山體和巖層就相當于過濾器，可以大幅減低宇宙射線強度。

江門中微子實驗的核心探測設備是一座巨型的液體閃爍體探測器，相當于13層樓高，探測器放置在地下實驗大廳內(nèi)一個44米深的池子中央，由直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼支撐。

如此龐大的探測器是如何工作的?關鍵就在于其內(nèi)部放置的密密麻麻的光電倍增管。中國科學院高能物理研究所所長曹俊說，探測中微子主要依靠液體閃爍體和光電倍增管實現(xiàn)。液體閃爍體是探測中微子的介質(zhì)，看上去和水差不多，但對純度要求非常高。當外界的中微子進入到探測器內(nèi)部，個別中微子與液體閃爍體發(fā)生作用，就會發(fā)出微弱的光，探測器內(nèi)數(shù)萬個光電倍增管負責把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，并將微弱的電信號放大1000萬倍。電信號有了一定強度，科研人員就可以將其記錄下來，利用計算機開展數(shù)據(jù)分析，探索中微子方有可能。

工人在安裝中心探測器上的光電倍增管 金立旺 攝

解答70年未解之謎

說起來，中微子是構成物質(zhì)世界的基本粒子之一，也是宇宙中最古老、數(shù)量最多的粒子，從宇宙大爆炸起就彌散在宇宙中。理解中微子，也就是理解我們宇宙的歷史。

然而，人們無法感知到身邊無處不在的中微子。這是因為中微子質(zhì)量非常輕，以接近光速的速度運動，更具有強大的穿透力，可以輕松穿過人體、地面、地球甚至是太陽。更重要的是，中微子幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應，導致人們不僅看不到中微子，就連探測它也非常不容易。

直到1956年，美國物理學家萊因斯和考恩首次探測到了核電站反應堆發(fā)出的中微子，中微子的存在終于得到證實。從那時起，中微子就成為了物理學的重要主題，相關成果4次獲得諾貝爾獎。然而，近70年后，人們對中微子的性質(zhì)仍然缺乏詳細了解。

“中微子質(zhì)量大小、起源、質(zhì)量順序、是否造成宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對稱等關鍵問題尚不明確?！敝袊茖W院院士、江門中微子實驗首席科學家王貽芳如是說。

王貽芳是我國中微子研究的領軍專家，2001年開始領導我國的中微子實驗。在他看來，建設先進的探測器，獲取更精確的數(shù)據(jù)，是中微子研究的重點。早在2003年，王貽芳就牽頭論證設計了我國第一代中微子實驗裝置——大亞灣中微子實驗。2007年，該裝置開工建設，2011年正式運行取數(shù)。2012年3月，科研人員依托大亞灣中微子實驗，發(fā)現(xiàn)一種新的中微子振蕩，并測得其振蕩大小，該成果獲得2016年度國家自然科學獎一等獎。截至2020年退役，大亞灣中微子實驗將中微子振蕩振幅的測量精度從2012年的20%提高到了2.8%。

而今江門中微子實驗接過了“前輩”的接力棒。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃，江門中微子實驗設計壽命是30年，預計在正式運行后的5到10年內(nèi)完成測量中微子質(zhì)量順序這一最主要的科學目標。同時，科研人員也會投入測量中微子的振蕩參數(shù)，把精度提高10倍左右，并涉足超新星、地球中微子、太陽中微子等研究。在2030年左右，科研人員將對探測器進行改造升級，使其能夠測量中微子的絕對質(zhì)量。

大科學計劃催生多項國際領先技術

作為一個復雜而精密的大科學裝置，江門中微子實驗建設要求高、難度大，面臨的挑戰(zhàn)在國際上也是少見的，尤其從挖洞、設備安裝，到調(diào)試、運行，全程在地下700米處進行，更關鍵的是，需要在長達30年的時間里確保探測器持續(xù)正常工作，這對于各項工程的要求到了近乎苛刻的程度。

“在建設江門中微子實驗這一大科學裝置過程中，科研人員在國產(chǎn)新型光電倍增管研制、高性能液體閃爍體研制、超大型高精度探測器設計制造等一系列前沿技術領域取得實質(zhì)性突破，不僅滿足了實驗裝置的建設需求，還推動了相關技術的國產(chǎn)化以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，充分體現(xiàn)了大科學計劃的牽引作用?！蓖踬O芳說。

“江門中微子實驗建成后將成為國際中微子研究的中心之一，與日本的頂級神岡中微子實驗(Hyper-K)和美國的深部地下中微子實驗(DUNE)形成中微子研究的三足鼎立之勢，將使我國在中微子研究領域的國際領先地位進一步鞏固。”王貽芳說。

編輯：范鐘秀