在700米地下，與“宇宙幽靈”約會
在700米地下，與“宇宙幽靈”約會
半月談記者 陳宇軒 張泉
爲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。
在位於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、建造了一座位於地下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，到底爲何如此重要，又如此困難？
深入地下700米
從廣東江門開平市區出發，驅車大約一個小時，一片坐落在青山中的建築羣映入眼簾。換乘簡易罐籠，聽着耳邊金屬碰撞發出的叮噹聲，5分鐘左右可以到達位於地下700米的實驗大廳。
一座大科學裝置，爲什麼要建在如此偏僻的地方？爲什麼要把探測器放置在700米深的地下？
據大裝置的“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盪，核電站反應堆熱功率越大，釋放的中微子數目就越多，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，中微子振盪出現極大值，對中微子質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台山核電站均爲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，則是出於“安靜”的要求。科研人員說，由於地面上有很強的宇宙射線，會干擾對中微子的探測。700米的山體和岩層就相當於過濾器，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，相當於13層樓高，探測器放置在地下實驗大廳內一個44米深的池子中央，由直徑41.1米的不鏽鋼網殼支撐。
如此龐大的探測器是如何工作的？關鍵就在於其內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。液體閃爍體是探測中微子的介質，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部，個別中微子與液體閃爍體發生作用，就會發出微弱的光，探測器內數萬個光電倍增管負責把光信號轉化成電信號，並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，利用計算機開展數據分析，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，中微子是構成物質世界的基本粒子之一，也是宇宙中最古老、數量最多的粒子，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。這是因爲中微子質量非常輕，以接近光速的速度運動，更具有強大的穿透力，可以輕鬆穿過人體、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發生反應，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出的中微子，中微子的存在終於得到證實。從那時起，中微子就成爲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年後，人們對中微子的性質仍然缺乏詳細瞭解。
“中微子質量大小、起源、質量順序、是否造成宇宙中物質與反物質的不對稱等關鍵問題尚不明確。”中國科學院院士、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，獲取更精確的數據，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。2012年3月，科研人員依託大亞灣中微子實驗，發現一種新的中微子振盪，並測得其振盪大小，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盪振幅的測量精度從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。根據現有規劃，江門中微子實驗設計壽命是30年，預計在正式運行後的5到10年內完成測量中微子質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盪參數，把精度提高10倍左右，並涉足超新星、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量。
大科學計劃催生多項國際領先技術
作爲一個複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，面臨的挑戰在國際上也是少見的，尤其從挖洞、設備安裝，到調試、運行，全程在地下700米處進行，更關鍵的是，需要在長達30年的時間裡確保探測器持續正常工作，這對於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，科研人員在國產新型光電倍增管研製、高性能液體閃爍體研製、超大型高精度探測器設計製造等一系列前沿技術領域取得實質性突破，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化以及產業的發展，充分體現了大科學計劃的牽引作用。”王貽芳說。
“江門中微子實驗建成後將成爲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。