地下700米粒子捕手

工人正在安裝中心探測器的不銹鋼網(wǎng)架網(wǎng)殼部分。建設中的江門中微子實驗中心探測器展示了其壯觀景象，工人們在不銹鋼網(wǎng)架上進行施工,。地下700米粒子捕手,！

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一,，也是宇宙中最常見的粒子。它與物質(zhì)的相互作用極為微弱，具有極強的穿透力,，可以輕松穿過人體,、地面,、地球甚至是太陽。中微子的質(zhì)量非常輕,，以接近光速運動,。圍繞中微子，有大量謎團尚未解開,，包括它的質(zhì)量大小和起源,、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,。中微子研究有望發(fā)現(xiàn)超出標準模型的新物理,，對研究宇宙演化、恒星形成,、超新星爆發(fā)機制等有重要意義,。自1956年首次被證實存在以來，中微子領域研究已經(jīng)獲得4次諾貝爾獎,。但“捕捉”中微子非常困難,，擁有更大、更先進的探測器從而獲取更精確的數(shù)據(jù),，是中微子研究的重點。

2003年,，中國科學院高能物理研究所科研人員提出設想,，利用我國大亞灣核反應堆群產(chǎn)生的大量中微子來尋找中微子的第三種振蕩模式。2007年,，大亞灣反應堆中微子實驗站動工建設,，主體由地面控制室和地下5個實驗室組成，垂直距離最深可達320米,。2011年年底,，大亞灣反應堆中微子實驗提前以6個探測器開始運行。2012年3月8日,，時任中國科學院高能物理研究所所長王貽芳宣布,，大亞灣反應堆中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率,。此后,，大亞灣反應堆中微子實驗繼續(xù)高質(zhì)量運行，取得多項世界領先的科研成果,。2020年年底,，大亞灣反應堆中微子實驗裝置正式退役。

如今,，我國新一代大型中微子實驗裝置——江門中微子實驗正在緊張建設中,。2024年10月10日,，記者來到廣東江門中微子實驗室，映入眼簾的是錯落有致的白色建筑,，四周青山環(huán)抱,。通過罐籠下降約5分鐘，來到位于地下700米的實驗大廳,。選擇在廣東江門進行新一代中微子實驗是因為該地區(qū)符合苛刻條件,，包括周圍有廣東陽江和臺山反應堆群，對測量質(zhì)量順序有效的總功率世界最高,，也能找到跟所有反應堆距離基本相等的點,。建在地下可以屏蔽大部分宇宙線干擾，因此幾乎所有中微子實驗都在地下進行,。

江門中微子實驗2013年立項,，2015年開工建設地下洞室。該洞室是國內(nèi)拱頂跨度最大的地下洞室,，頂部起拱跨度達49.5米,。面對巖體富水性強等世界級工程難題，技術攻關團隊開展大量技術研究并確定合理施工方案,，最終地下洞室于2021年年底順利交付使用,。

實驗大廳內(nèi)有一個巨大的白色球體，坐落在圓柱形的水池中,，這是江門中微子實驗的核心探測設備——中心探測器,。中心探測器直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼承載著直徑35.4米的有機玻璃球、2萬噸液體閃爍體（液閃）,、2萬個20英寸光電倍增管,、2.5萬個3英寸光電倍增管等部件。探測器運行時,，水池中還要注入3.5萬噸超純水,。

有機玻璃球由263塊12厘米厚的烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，凈重約600噸,，是世界最大的單體有機玻璃球,。為保證高透光率和低本底的特點，有機玻璃板材生產(chǎn)采用了獨特配方和工藝,。拼接有機玻璃球時表面需要用膜材料和帶有水溶膠的紙進行保護,，防止氡及其衰變子體污染有機玻璃。此外,，研發(fā)團隊通過多種方法降低老化速度,，確保探測器安全運行。

2萬噸液閃起到了主要作用，當大量中微子穿過探測器時,，極少的一部分會與液閃發(fā)生反應,，發(fā)出極其微弱的閃爍光，被光電倍增管探測到,，從而達到捕捉中微子的目的,。液閃需要非常干凈，高潔凈度,、高密封,、高效率的純化系統(tǒng)去除了液閃中的放射性雜質(zhì)、惰性氣體等,，提高了透明度和光學性能,。

密布于不銹鋼網(wǎng)殼內(nèi)側(cè)的光電倍增管為捕捉中微子布下了“天羅地網(wǎng)”。每個直徑足有半米長的20英寸光電倍增管在中心探測器上要安裝2萬個,，再加上2.5萬個3英寸光電倍增管,。這些光電倍增管將中微子與液閃反應的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒎糯笄f倍,，在計算機中進行具體分析和研究,。中國科學院高能物理研究所的科學家們發(fā)明了一種全新構(gòu)型及電子放大方式的新型光電倍增管，最終研制出具有完全自主知識產(chǎn)權的光電倍增管樣管,，打破了國際壟斷,。

光電倍增管長時間工作在44米深的水池中存在內(nèi)爆風險，為此,，研究人員研制了一套水下防爆系統(tǒng),，為每一個光電倍增管加裝保護裝置。該防爆系統(tǒng)可以有效減緩高壓水填充真空區(qū)域的速度,，顯著減低沖擊波的強度，避免發(fā)生鏈式反應,。

目前,，江門中微子實驗建設進入收官階段，預計11月底完成全部安裝任務,，并啟動超純水,、液閃的灌裝，2025年8月正式運行取數(shù),，預計運行約30年,。江門中微子實驗有著豐富的科學目標，包括測量中微子的質(zhì)量順序,，精確測量三個中微子振蕩參數(shù),，以及在2030年裝置升級后測量中微子的絕對質(zhì)量，也將在太陽中微子、地球中微子等研究方面達到國際最好水平,，并有望在超新星中微子,、質(zhì)子衰變等方面取得重大成果。