在700米地下，與“宇宙幽靈”約會(huì)

半月談?dòng)浾?陳宇軒 張泉

為了揭開宇宙最深邃的奧秘，科學(xué)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(shí)驗(yàn)大廳，從2013年立項(xiàng)至今，中國(guó)科學(xué)家花了11年時(shí)間設(shè)計(jì)、建造了一座位于地下700米的巨型探測(cè)器，用來捕捉有“宇宙幽靈”之稱的中微子。

探測(cè)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(gè)小時(shí)，一片坐落在青山中的建筑群映入眼簾。換乘簡(jiǎn)易罐籠，聽著耳邊金屬碰撞發(fā)出的叮當(dāng)聲，5分鐘左右可以到達(dá)位于地下700米的實(shí)驗(yàn)大廳。

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

據(jù)大裝置的“管家”——中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所科研人員介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)的主要工作，其實(shí)是測(cè)量核電站反應(yīng)堆的中微子振蕩，核電站反應(yīng)堆熱功率越大，釋放的中微子數(shù)目就越多，實(shí)驗(yàn)精度就越高，尤其是當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置距離核電站反應(yīng)堆50至55公里時(shí)，中微子振蕩出現(xiàn)極大值，對(duì)中微子質(zhì)量順序的測(cè)量最靈敏。江門中微子實(shí)驗(yàn)所在位置，距離附近的陽(yáng)江核電站和臺(tái)山核電站均為53公里，三地形成一個(gè)等腰三角形，這樣就可以最大限度利用兩個(gè)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(qiáng)的宇宙射線，會(huì)干擾對(duì)中微子的探測(cè)。700米的山體和巖層就相當(dāng)于過濾器，可以大幅減低宇宙射線強(qiáng)度。

江門中微子實(shí)驗(yàn)的核心探測(cè)設(shè)備是一座巨型的液體閃爍體探測(cè)器，相當(dāng)于13層樓高，探測(cè)器放置在地下實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)一個(gè)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(cè)器是如何工作的?關(guān)鍵就在于其內(nèi)部放置的密密麻麻的光電倍增管。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)曹俊說，探測(cè)中微子主要依靠液體閃爍體和光電倍增管實(shí)現(xiàn)。液體閃爍體是探測(cè)中微子的介質(zhì)，看上去和水差不多，但對(duì)純度要求非常高。當(dāng)外界的中微子進(jìn)入到探測(cè)器內(nèi)部，個(gè)別中微子與液體閃爍體發(fā)生作用，就會(huì)發(fā)出微弱的光，探測(cè)器內(nèi)數(shù)萬(wàn)個(gè)光電倍增管負(fù)責(zé)把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并將微弱的電信號(hào)放大1000萬(wàn)倍。電信號(hào)有了一定強(qiáng)度，科研人員就可以將其記錄下來，利用計(jì)算機(jī)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(cè)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(gòu)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?yàn)橹形⒆淤|(zhì)量非常輕，以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，更具有強(qiáng)大的穿透力，可以輕松穿過人體、地面、地球甚至是太陽(yáng)。更重要的是，中微子幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致人們不僅看不到中微子，就連探測(cè)它也非常不容易。

直到1956年，美國(guó)物理學(xué)家萊因斯和考恩首次探測(cè)到了核電站反應(yīng)堆發(fā)出的中微子，中微子的存在終于得到證實(shí)。從那時(shí)起，中微子就成為了物理學(xué)的重要主題，相關(guān)成果4次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。然而，近70年后，人們對(duì)中微子的性質(zhì)仍然缺乏詳細(xì)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(duì)稱等關(guān)鍵問題尚不明確?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、江門中微子實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家王貽芳如是說。

王貽芳是我國(guó)中微子研究的領(lǐng)軍專家，2001年開始領(lǐng)導(dǎo)我國(guó)的中微子實(shí)驗(yàn)。在他看來，建設(shè)先進(jìn)的探測(cè)器，獲取更精確的數(shù)據(jù)，是中微子研究的重點(diǎn)。早在2003年，王貽芳就牽頭論證設(shè)計(jì)了我國(guó)第一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置——大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)。2007年，該裝置開工建設(shè)，2011年正式運(yùn)行取數(shù)。2012年3月，科研人員依托大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一種新的中微子振蕩，并測(cè)得其振蕩大小，該成果獲得2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。截至2020年退役，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)將中微子振蕩振幅的測(cè)量精度從2012年的20%提高到了2.8%。

而今江門中微子實(shí)驗(yàn)接過了“前輩”的接力棒。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)劃，江門中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)壽命是30年，預(yù)計(jì)在正式運(yùn)行后的5到10年內(nèi)完成測(cè)量中微子質(zhì)量順序這一最主要的科學(xué)目標(biāo)。同時(shí)，科研人員也會(huì)投入測(cè)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(yáng)中微子等研究。在2030年左右，科研人員將對(duì)探測(cè)器進(jìn)行改造升級(jí)，使其能夠測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量。

大科學(xué)計(jì)劃催生多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)

作為一個(gè)復(fù)雜而精密的大科學(xué)裝置，江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)要求高、難度大，面臨的挑戰(zhàn)在國(guó)際上也是少見的，尤其從挖洞、設(shè)備安裝，到調(diào)試、運(yùn)行，全程在地下700米處進(jìn)行，更關(guān)鍵的是，需要在長(zhǎng)達(dá)30年的時(shí)間里確保探測(cè)器持續(xù)正常工作，這對(duì)于各項(xiàng)工程的要求到了近乎苛刻的程度。

“在建設(shè)江門中微子實(shí)驗(yàn)這一大科學(xué)裝置過程中，科研人員在國(guó)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(cè)器設(shè)計(jì)制造等一系列前沿技術(shù)領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性突破，不僅滿足了實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)需求，還推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，充分體現(xiàn)了大科學(xué)計(jì)劃的牽引作用。”王貽芳說。

“江門中微子實(shí)驗(yàn)建成后將成為國(guó)際中微子研究的中心之一，與日本的頂級(jí)神岡中微子實(shí)驗(yàn)(Hyper-K)和美國(guó)的深部地下中微子實(shí)驗(yàn)(DUNE)形成中微子研究的三足鼎立之勢(shì)，將使我國(guó)在中微子研究領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位進(jìn)一步鞏固?！蓖踬O芳說。

編輯：范鐘秀