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地下700米深處建造世界最大中微子探測器

來源：深圳特區報

發布時間：2021-01-15

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▲實驗室位於(yu) 在地下700米的山洞裏，實驗室呈圓形，從(cong) 底部到頂部落差70米，正在進行開挖施工。

工人在隧道盡頭俯瞰實驗井。

原標題：地下700米深處建造世界最大中微子探測器

江門中微子實驗室將為(wei) 中微子“稱重”並排序

見圳客戶端·深圳新聞網2021年1月15日訊（深圳特區報記者古國真李竹/文李偉(wei) 文/圖）在江門開平市金雞鎮，一座不起眼的花崗岩山體(ti) 不時傳(chuan) 來隆隆的機器轟鳴聲。在這座山體(ti) 之下700多米深處，施工人員正在緊張挖掘著一個(ge) 迄今世界最大的實驗洞室。

這就是江門中微子實驗室的建設現場。

近日，記者來到施工現場，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(wei) 中國兩(liang) 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(ge) 由中國人主導的、有望衝(chong) 擊諾貝爾獎的世界先導性基礎科研項目“輪廓”逐漸在記者腦海中清晰起來。

大亞(ya) 灣實驗為(wei) 江門實驗奠定良好基礎

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(ya) 灣中微子實驗”。

近代物理學研究認為(wei) ，物質世界是由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(men) 物質世界是怎麽(me) 由這12種基本粒子組成的。在標準模型裏，中微子是不帶質量的。但是，科研人員在實驗中發現了中微子的振蕩現象，這意味著中微子是有質量的。

而深圳大亞(ya) 灣實驗則進一步發現了新的中微子振蕩現象！

這個(ge) 由中國人主導的、曆時9年的大亞(ya) 灣中微子實驗成功發現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(liang) 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。由於(yu) 第三種中微子振蕩的相關(guan) 實驗長期未果，因此有理論預言它根本不存在。然而，大亞(ya) 灣實驗改變了這個(ge) 預言。

李小男說，中微子混合角θ13的發現，是我國中微子研究的裏程碑，其重大意義(yi) 體(ti) 現在兩(liang) 方麵：一方麵是在技術上實現了一係列突破，例如研製成功擁有完全自主星空体育官网入口网站產(chan) 權的中微子測量儀(yi) 器——大尺寸微通道板型光電倍增管，打破了國際壟斷；另一方麵是係統培養(yang) 了一批從(cong) 實驗室建設到物理分析全程參與(yu) 的科研人才，他們(men) 也將成為(wei) 江門實驗的主力軍(jun) 。而這些都是未來開展江門實驗的底氣。

“大亞(ya) 灣實驗成果獲得了2016年度國家自然科學獎一等獎，並被國外同行譽為(wei) ‘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(ju) 跨入了國際領先地位。”李小男自豪地說。

退役前，大亞(ya) 灣實驗已將中微子振蕩振幅的測量精度從(cong) 2012年的20%提高到了3.4%，預期最終精度將好於(yu) 3%。但由於(yu) 大亞(ya) 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(ge) 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麽(me) 新的科研任務呢？

“在這裏，我們(men) 要為(wei) 中微子‘稱重’。”李小男說。跟隨李小男走進江門實驗的辦公樓，入眼便看到牆麵展板上寫(xie) 著“中微子下一個(ge) 挑戰目標——測量中微子質量順序”。

李小男介紹，中微子質量順序實驗將分兩(liang) 步進行：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量順序，判斷三種中微子誰重誰輕，這項研究預計5至6年後能得到結論；第二步將實驗升級改造，確定中微子質量的具體(ti) 大小，同時與(yu) 無中微子“雙貝塔衰變實驗”一起研究，判定中微子是否為(wei) 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，將有望衝(chong) 擊諾貝爾獎。

那麽(me) 江門實驗室將如何建設才能滿足實驗要求？

李小男介紹說，盡管中微子充斥整個(ge) 宇宙空間，但其質量極輕、接近光速運動、極少與(yu) 其他物質相互作用，被稱為(wei) “幽靈粒子”，很難被捕捉到。由於(yu) 核反應堆發電的過程中會(hui) 產(chan) 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，這樣更有利於(yu) 捕捉到中微子。這就是為(wei) 什麽(me) 江門實驗室建在陽江、台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(hui) 產(chan) 生很多信號，而中微子本身的信號非常弱，如果實驗室建在地麵上，宇宙線產(chan) 生的信號會(hui) 把中微子信號全部掩蓋掉。為(wei) 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(ti) 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(men) 周邊的放射性岩石或者空氣中的放射性，甚至人體(ti) 中的放射性，都可能對實驗產(chan) 生影響，所以實驗設施都是泡在水裏的，而且這個(ge) “水”必須是純淨水，通過純淨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(ge) 實驗洞室（又稱實驗大廳），然後在實驗大廳還要向下挖一個(ge) 46米深的水池，把中微子的實驗設備泡在水池子裏。

這個(ge) 實驗設備叫做中微子中心探測器，是一個(ge) 直徑35米的有機玻璃球。在有機玻璃球裏要灌上2萬(wan) 噸的液體(ti) 閃爍體(ti) ，通過液體(ti) 閃爍體(ti) 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(ge) 實驗的一個(ge) 布置。

"所以我們(men) 的工程在2015年1月10號開工建設，主要分成兩(liang) 步：第一步得把實驗洞室挖出來。現在水池的底部已經露出來了，2020年底基本結束水池的挖掘。

洞室挖出來以後，第二步要安裝實驗設施，大概需要兩(liang) 年半的時間把實驗設施安裝到地下洞室中去。完成以上兩(liang) 個(ge) 步驟，預計在2023年整個(ge) 實驗可以投入運行。"

建成後的江門實驗室將擁有兩(liang) 個(ge) 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淨度液閃探測器

江門實驗整個(ge) 工程建設包含地麵、地下兩(liang) 部分。地麵建築包括裝配大廳、絞車房、地上動力中心等；地下建築包括斜井、豎井、實驗大廳（即中心洞室）、附屬洞室。目前，地麵建築以及地下實驗大廳的兩(liang) 個(ge) 入口——1267米的斜井、564米的豎井已完成建設。

實驗室配套基建工程項目經理戚敬師介紹說，地下實驗大廳是一個(ge) 跨度達50米的中心洞室，從(cong) 大廳挖下去的水池有46米深，從(cong) 大廳向上挖到穹頂處為(wei) 27米，整個(ge) 洞室總高73米。洞室穹頂全依靠山體(ti) 岩石自身的穩定性來支撐，穹頂到地麵不能有任何柱子支撐；水池內(nei) 麵襯砌需要用混凝土進行澆築，這相當於(yu) 給一座十二、三層樓高的樓體(ti) 牆麵澆築，並要做到不能有滲透、漏水。此外，地下體(ti) 感溫度超30℃，大量地下水隨時噴湧。在這種高溫高濕狀態下施工，其難度可想而知。可喜的是，2020年末，實驗水池施工已基本完成，開始進入基建電氣設備安裝階段。

“你看到的所有基建，全是為(wei) 了中微子探測器服務，它才是捕獲中微子的武器。”李小男透露，未來，探測器關(guan) 鍵部件——有機玻璃球，以及在水池中支撐玻璃球的不鏽鋼網架生產(chan) 出來後，會(hui) 運到地麵的裝備大廳簡單組裝，再通過斜井運往地下水池完成拚裝，最後通過豎井從(cong) 地麵將高純水灌滿已經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，探測器裏裝滿透明的液體(ti) 閃爍體(ti) （簡稱“液閃”），液閃主要成分是用來製作洗衣粉的化工原料烷基苯。當捕獲中微子時，液閃將發出微弱的閃光，閃光被安裝在探測器表麵的類似燈泡的光電倍增管捕捉，並將微弱的光信號轉換成電信號，通過計算機再轉換成數字信號後就可為(wei) 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(wan) 噸的液閃，比大亞(ya) 灣實驗的20噸大了整整1000倍；同時，探測器的關(guan) 鍵部件有機玻璃球直徑達35.4米，為(wei) 國際最大；不鏽鋼網架直徑也長達40.1米。建成後它將成為(wei) 國際上最大、擁有國際最好能量精度與(yu) 超高純淨度的液閃探測器。

未來，這個(ge) 大型探測器表麵將鋪滿近1.8萬(wan) 個(ge) 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3萬(wan) 個(ge) 小型光電倍增管，以使探測器表麵盡可能多地覆蓋大小光電倍增管，從(cong) 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計達到78％。從(cong) 《江門中微子探測器示意圖》可以看到，整個(ge) 探測器若一顆金黃閃亮的玻璃球。

探測器的容量擴大是為(wei) 了能夠捕捉到更多的中微子事例，但也為(wei) 前期的建設帶來了巨大難題，比如：對液閃透光度的把握、有機玻璃球的製作、大尺寸光電倍增管的研發等都是巨大的考驗。“在大亞(ya) 灣實驗室直徑5米的探測器中，中微子的光子隻用跑5米就能被光電倍增管捕捉；但在這個(ge) 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，探測器研製的諸多關(guan) 鍵技術難題均已攻克，比如高性能的液體(ti) 閃爍體(ti) 已完成中試研究。李小男說，預計2021年中將完成基建施工並開始探測器的整體(ti) 安裝，2023年開始運行取數。

將通過中微子探測手段

研究天體(ti) 自然現象

目前，國際上能與(yu) 江門實驗競爭(zheng) 的有兩(liang) 大實驗，分別是美國沙丘實驗、日本頂級神岡(gang) 實驗，他們(men) 均可測量中微子質量順序。不同的是，美、日研究是通過加速器實現人工產(chan) 生中微子來進行研究。“研究人工產(chan) 生的中微子，其缺點在於(yu) 數目少，但能夠精確知道中微子產(chan) 生的方向，可降低測量難度；我們(men) 研究的中微子相當於(yu) 核反應發電的附屬產(chan) 品，其方向、能量不確定，會(hui) 給實驗增加難度，但核反應產(chan) 生的中微子數量非常多，容易捕捉到，這是我們(men) 的優(you) 勢。”李小男解釋道。

李小男進一步向記者“科普”道，太陽、地球包括超新星爆發等等都會(hui) 產(chan) 生中微子，我們(men) 通過觀測這些天體(ti) 發射的中微子，就可以研究天體(ti) 的一些現象，比如太陽的內(nei) 部結構，地球的內(nei) 部結構等。因此，江門實驗的意義(yi) 在於(yu) ，既可以研究中微子本身的性質，還可以通過中微子這個(ge) 探測手段去研究天體(ti) 的自然現象。

李小男以超新星爆發為(wei) 例解釋說，超新星爆發的能量99%是通過中微子釋放出來，探測百年難遇的“超新星爆發中微子”是江門中微子實驗的一個(ge) 重要課題，該課題將有利於(yu) 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(hui) 更加廣泛，這是江門實驗最重要的意義(yi) 所在。”李小男說。

中微子研究已成為(wei) 現代物理研究的熱門領域，自從(cong) 上世紀30年代人類發現中微子到現在，在中微子領域頒發的諾貝爾獎就已經有4人次。因此，江門實驗的科研成果也格外值得期待。

但李小男對於(yu) 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(cong) 科研的角度來講，我們(men) 首先要完成科研任務，而並不是奔獎去的。當然我們(men) 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(ge) 同行的承認而已，我們(men) 並不追求這個(ge) 東(dong) 西。我們(men) 現在能做的就是在現有的技術基礎上，盡可能地優(you) 化實驗設計，剩下的就是等待實驗給我們(men) 帶來的驚喜！”