▲實(shí)驗(yàn)室位于在地下700米的山洞里，實(shí)驗(yàn)室呈圓形，從底部到頂部落差70米，正在進(jìn)行開挖施工。

工人在隧道盡頭俯瞰實(shí)驗(yàn)井。

原標(biāo)題：地下700米深處建造世界最大中微子探測(cè)器

江門中微子實(shí)驗(yàn)室將為中微子“稱重”并排序

見圳客戶端·深圳新聞網(wǎng)2021年1月15日訊（深圳特區(qū)報(bào)記者 古國(guó)真 李竹/文 李偉文/圖）在江門開平市金雞鎮(zhèn)，一座不起眼的花崗巖山體不時(shí)傳來隆隆的機(jī)器轟鳴聲。在這座山體之下700多米深處，施工人員正在緊張挖掘著一個(gè)迄今世界最大的實(shí)驗(yàn)洞室。

這就是江門中微子實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)。

近日，記者來到施工現(xiàn)場(chǎng)，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。作為中國(guó)兩代中微子實(shí)驗(yàn)的見證人之一，李小男向記者講述了江門中微子實(shí)驗(yàn)的“前世”和“今生”故事，一個(gè)由中國(guó)人主導(dǎo)的、有望沖擊諾貝爾獎(jiǎng)的世界先導(dǎo)性基礎(chǔ)科研項(xiàng)目“輪廓”逐漸在記者腦海中清晰起來。

大亞灣實(shí)驗(yàn)為江門實(shí)驗(yàn)奠定良好基礎(chǔ)

講到江門中微子實(shí)驗(yàn)之前，不得不提到它的前身——2020年12月12日剛剛宣布退役的“深圳大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)”。

近代物理學(xué)研究認(rèn)為，物質(zhì)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(xué)界有一種理論叫做“標(biāo)準(zhǔn)模型理論”，描述了我們物質(zhì)世界是怎么由這12種基本粒子組成的。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，中微子是不帶質(zhì)量的。但是，科研人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中微子的振蕩現(xiàn)象，這意味著中微子是有質(zhì)量的。

而深圳大亞灣實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩現(xiàn)象！

這個(gè)由中國(guó)人主導(dǎo)的、歷時(shí)9年的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)成功發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式θ13，且實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的精度。在此之前，中微子前兩種振蕩模式“太陽中微子之謎”（θ12）和“大氣中微子之謎”（θ23）已被證實(shí)。由于第三種中微子振蕩的相關(guān)實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期未果，因此有理論預(yù)言它根本不存在。然而，大亞灣實(shí)驗(yàn)改變了這個(gè)預(yù)言。

李小男說，中微子混合角θ13的發(fā)現(xiàn)，是我國(guó)中微子研究的里程碑，其重大意義體現(xiàn)在兩方面：一方面是在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了一系列突破，例如研制成功擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中微子測(cè)量?jī)x器——大尺寸微通道板型光電倍增管，打破了國(guó)際壟斷；另一方面是系統(tǒng)培養(yǎng)了一批從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)到物理分析全程參與的科研人才，他們也將成為江門實(shí)驗(yàn)的主力軍。而這些都是未來開展江門實(shí)驗(yàn)的底氣。

“大亞灣實(shí)驗(yàn)成果獲得了2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，并被國(guó)外同行譽(yù)為‘中國(guó)有史以來最重要的物理學(xué)成果’，由此，我國(guó)的中微子研究就一舉跨入了國(guó)際領(lǐng)先地位?！崩钚∧凶院赖卣f。

退役前，大亞灣實(shí)驗(yàn)已將中微子振蕩振幅的測(cè)量精度從2012年的20%提高到了3.4%，預(yù)期最終精度將好于3%。但由于大亞灣實(shí)驗(yàn)已達(dá)極限，無法再提高精度，最終宣布退役。

預(yù)計(jì)在2023年整個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以投入運(yùn)行

今天的江門中微子實(shí)驗(yàn)室又將承擔(dān)什么新的科研任務(wù)呢？

“在這里，我們要為中微子‘稱重’?！崩钚∧姓f。跟隨李小男走進(jìn)江門實(shí)驗(yàn)的辦公樓，入眼便看到墻面展板上寫著“中微子下一個(gè)挑戰(zhàn)目標(biāo)——測(cè)量中微子質(zhì)量順序”。

李小男介紹，中微子質(zhì)量順序?qū)嶒?yàn)將分兩步進(jìn)行：第一步是通過對(duì)中微子振蕩波形分析，確定目前已知的三種中微子的質(zhì)量順序，判斷三種中微子誰重誰輕，這項(xiàng)研究預(yù)計(jì)5至6年后能得到結(jié)論；第二步將實(shí)驗(yàn)升級(jí)改造，確定中微子質(zhì)量的具體大小，同時(shí)與無中微子“雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)”一起研究，判定中微子是否為其“反粒子”，這是影響中微子天文學(xué)和中微子宇宙學(xué)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(cè)到，可以得到一些最基本的物理學(xué)線索，將有望沖擊諾貝爾獎(jiǎng)。

那么江門實(shí)驗(yàn)室將如何建設(shè)才能滿足實(shí)驗(yàn)要求？

李小男介紹說，盡管中微子充斥整個(gè)宇宙空間，但其質(zhì)量極輕、接近光速運(yùn)動(dòng)、極少與其他物質(zhì)相互作用，被稱為“幽靈粒子”，很難被捕捉到。由于核反應(yīng)堆發(fā)電的過程中會(huì)產(chǎn)生大量中微子，是很強(qiáng)烈的中微子源，因此實(shí)驗(yàn)站一般選址在核電站附近，這樣更有利于捕捉到中微子。這就是為什么江門實(shí)驗(yàn)室建在陽江、臺(tái)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(huì)產(chǎn)生很多信號(hào)，而中微子本身的信號(hào)非常弱，如果實(shí)驗(yàn)室建在地面上，宇宙線產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)把中微子信號(hào)全部掩蓋掉。為了屏蔽地球外的帶電粒子，中微子實(shí)驗(yàn)室一般都是建在地下，通過山體或者地球的覆蓋層，把帶電粒子屏蔽掉。

除了有宇宙線影響以外，我們周邊的放射性巖石或者空氣中的放射性，甚至人體中的放射性，都可能對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，所以實(shí)驗(yàn)設(shè)施都是泡在水里的，而且這個(gè)“水”必須是純凈水，通過純凈水把周邊的帶電離子屏蔽掉。

因此，江門實(shí)驗(yàn)室要在地下700米深處挖一個(gè)實(shí)驗(yàn)洞室（又稱實(shí)驗(yàn)大廳），然后在實(shí)驗(yàn)大廳還要向下挖一個(gè)46米深的水池，把中微子的實(shí)驗(yàn)設(shè)備泡在水池子里。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備叫做中微子中心探測(cè)器，是一個(gè)直徑35米的有機(jī)玻璃球。在有機(jī)玻璃球里要灌上2萬噸的液體閃爍體，通過液體閃爍體來捕捉和研究中微子（見《江門中微子探測(cè)器示意圖》）。這就是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)布置。

"所以我們的工程在2015年1月10號(hào)開工建設(shè)，主要分成兩步：第一步得把實(shí)驗(yàn)洞室挖出來?，F(xiàn)在水池的底部已經(jīng)露出來了，2020年底基本結(jié)束水池的挖掘。

洞室挖出來以后，第二步要安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)施，大概需要兩年半的時(shí)間把實(shí)驗(yàn)設(shè)施安裝到地下洞室中去。完成以上兩個(gè)步驟，預(yù)計(jì)在2023年整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以投入運(yùn)行。"

建成后的江門實(shí)驗(yàn)室將擁有兩個(gè)世界“最大”：國(guó)際上最大的科研實(shí)驗(yàn)洞室和國(guó)際上最大的中微子中心探測(cè)器。

將安裝國(guó)際上最大超高純凈度液閃探測(cè)器

江門實(shí)驗(yàn)整個(gè)工程建設(shè)包含地面、地下兩部分。地面建筑包括裝配大廳、絞車房、地上動(dòng)力中心等；地下建筑包括斜井、豎井、實(shí)驗(yàn)大廳（即中心洞室）、附屬洞室。目前，地面建筑以及地下實(shí)驗(yàn)大廳的兩個(gè)入口——1267米的斜井、564米的豎井已完成建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)室配套基建工程項(xiàng)目經(jīng)理戚敬師介紹說，地下實(shí)驗(yàn)大廳是一個(gè)跨度達(dá)50米的中心洞室，從大廳挖下去的水池有46米深，從大廳向上挖到穹頂處為27米，整個(gè)洞室總高73米。洞室穹頂全依靠山體巖石自身的穩(wěn)定性來支撐，穹頂?shù)降孛娌荒苡腥魏沃又?；水池?nèi)面襯砌需要用混凝土進(jìn)行澆筑，這相當(dāng)于給一座十二、三層樓高的樓體墻面澆筑，并要做到不能有滲透、漏水。此外，地下體感溫度超30℃，大量地下水隨時(shí)噴涌。在這種高溫高濕狀態(tài)下施工，其難度可想而知?？上驳氖?，2020年末，實(shí)驗(yàn)水池施工已基本完成，開始進(jìn)入基建電氣設(shè)備安裝階段。

“你看到的所有基建，全是為了中微子探測(cè)器服務(wù)，它才是捕獲中微子的武器?！崩钚∧型嘎叮磥?，探測(cè)器關(guān)鍵部件——有機(jī)玻璃球，以及在水池中支撐玻璃球的不銹鋼網(wǎng)架生產(chǎn)出來后，會(huì)運(yùn)到地面的裝備大廳簡(jiǎn)單組裝，再通過斜井運(yùn)往地下水池完成拼裝，最后通過豎井從地面將高純水灌滿已經(jīng)放置了有機(jī)玻璃球探測(cè)器的水池。

探測(cè)器如何捕獲中微子？李小男介紹，探測(cè)器里裝滿透明的液體閃爍體（簡(jiǎn)稱“液閃”），液閃主要成分是用來制作洗衣粉的化工原料烷基苯。當(dāng)捕獲中微子時(shí)，液閃將發(fā)出微弱的閃光，閃光被安裝在探測(cè)器表面的類似燈泡的光電倍增管捕捉，并將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后就可為科研所用。

值得注意的是，江門實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器可容納重量達(dá)2萬噸的液閃，比大亞灣實(shí)驗(yàn)的20噸大了整整1000倍；同時(shí)，探測(cè)器的關(guān)鍵部件有機(jī)玻璃球直徑達(dá)35.4米，為國(guó)際最大；不銹鋼網(wǎng)架直徑也長(zhǎng)達(dá)40.1米。建成后它將成為國(guó)際上最大、擁有國(guó)際最好能量精度與超高純凈度的液閃探測(cè)器。

未來，這個(gè)大型探測(cè)器表面將鋪滿近1.8萬個(gè)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(shè)3萬個(gè)小型光電倍增管，以使探測(cè)器表面盡可能多地覆蓋大小光電倍增管，從而能捕獲到更多的中微子。目前江門實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器光電倍增管覆蓋率設(shè)計(jì)達(dá)到78％。從《江門中微子探測(cè)器示意圖》可以看到，整個(gè)探測(cè)器若一顆金黃閃亮的玻璃球。

探測(cè)器的容量擴(kuò)大是為了能夠捕捉到更多的中微子事例，但也為前期的建設(shè)帶來了巨大難題，比如：對(duì)液閃透光度的把握、有機(jī)玻璃球的制作、大尺寸光電倍增管的研發(fā)等都是巨大的考驗(yàn)?！霸诖髞啚硨?shí)驗(yàn)室直徑5米的探測(cè)器中，中微子的光子只用跑5米就能被光電倍增管捕捉；但在這個(gè)35米直徑的探測(cè)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(cè)器研制的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題均已攻克，比如高性能的液體閃爍體已完成中試研究。李小男說，預(yù)計(jì)2021年中將完成基建施工并開始探測(cè)器的整體安裝，2023年開始運(yùn)行取數(shù)。

將通過中微子探測(cè)手段

研究天體自然現(xiàn)象

目前，國(guó)際上能與江門實(shí)驗(yàn)競(jìng)爭(zhēng)的有兩大實(shí)驗(yàn)，分別是美國(guó)沙丘實(shí)驗(yàn)、日本頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，他們均可測(cè)量中微子質(zhì)量順序。不同的是，美、日研究是通過加速器實(shí)現(xiàn)人工產(chǎn)生中微子來進(jìn)行研究?！把芯咳斯ぎa(chǎn)生的中微子，其缺點(diǎn)在于數(shù)目少，但能夠精確知道中微子產(chǎn)生的方向，可降低測(cè)量難度；我們研究的中微子相當(dāng)于核反應(yīng)發(fā)電的附屬產(chǎn)品，其方向、能量不確定，會(huì)給實(shí)驗(yàn)增加難度，但核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子數(shù)量非常多，容易捕捉到，這是我們的優(yōu)勢(shì)。”李小男解釋道。

李小男進(jìn)一步向記者“科普”道，太陽、地球包括超新星爆發(fā)等等都會(huì)產(chǎn)生中微子，我們通過觀測(cè)這些天體發(fā)射的中微子，就可以研究天體的一些現(xiàn)象，比如太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。因此，江門實(shí)驗(yàn)的意義在于，既可以研究中微子本身的性質(zhì)，還可以通過中微子這個(gè)探測(cè)手段去研究天體的自然現(xiàn)象。

李小男以超新星爆發(fā)為例解釋說，超新星爆發(fā)的能量99%是通過中微子釋放出來，探測(cè)百年難遇的“超新星爆發(fā)中微子”是江門中微子實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要課題，該課題將有利于揭示宇宙形成的奧秘。

“依靠即將建成的國(guó)際最大液閃探測(cè)器，江門實(shí)驗(yàn)對(duì)中微子的研究會(huì)更加廣泛，這是江門實(shí)驗(yàn)最重要的意義所在?！崩钚∧姓f。

中微子研究已成為現(xiàn)代物理研究的熱門領(lǐng)域，自從上世紀(jì)30年代人類發(fā)現(xiàn)中微子到現(xiàn)在，在中微子領(lǐng)域頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)就已經(jīng)有4人次。因此，江門實(shí)驗(yàn)的科研成果也格外值得期待。

但李小男對(duì)于江門實(shí)驗(yàn)的最終成果能否獲得諾貝爾獎(jiǎng)卻顯得很平和，他笑著說：“實(shí)際上諾貝爾獎(jiǎng)是可遇而不可求的。從科研的角度來講，我們首先要完成科研任務(wù)，而并不是奔獎(jiǎng)去的。當(dāng)然我們的科研目標(biāo)可以是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的，但所謂諾貝爾獎(jiǎng)也好，國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)也好，都是一個(gè)同行的承認(rèn)而已，我們并不追求這個(gè)東西。我們現(xiàn)在能做的就是在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，盡可能地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，剩下的就是等待實(shí)驗(yàn)給我們帶來的驚喜！”

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