江门中微子实验装置：12层楼高的水晶球逼幽灵粒子现身
12层楼高的水晶球逼幽灵粒子现身
——走近国家大科学工程江门中微子实验装置
本报采访人员 高 博
两座核电站之间 ， 700多米深的花岗岩下 ， 正开掘一个巨大的空洞 ， 容纳一个12层楼高的“水晶球” 。 来自球中的一次次闪烁 ， 将吐露中微子的身世秘密 。
位于广东的正在建设的江门中微子实验装置 ， 是中国前所未有的最复杂的高能物理实验装置 。 与当前最好的国际同类装置相比 ， 它的规模大20倍 ， 精度提高近一倍 。
世界最大的有机玻璃球
中微子被称为幽灵粒子 ， 为侦测它 ， 人类不得不大费周章 。 如今 ， 江门地下中微子实验观测站(JUNO)被物理学家寄予厚望：精确地测量中微子的一些基本特性 。
宇宙里到处都是中微子 。 每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体 。 中微子很难跟其他物质反应 ， 穿行宇宙如入无物之阵 。 现代的中微子实验都会用巨量的靶物质作为陷阱 ， 提高捕获中微子的几率 。
JUNO的核心 ， 是一个直径35.4米 ， 厚12厘米的空心有机玻璃球 。 造这么大 ， 是因为里面要灌上2万吨的液体(叫做液闪)作为靶物质 。
这是人类造过的最大的有机玻璃球 。 中科院高能物理所所长王贻芳曾告诉科技日报采访人员 ， 目前世界上用于粒子物理的有机玻璃球 ， 比它小20倍；水族馆的有机玻璃水箱也比它小得多 。
这个水晶球的意义 ， 是用透明的介质 ， 分开里面的液闪和外面的水 。 中科院高能物理所研究员曹俊说 ， 这个有机玻璃球必须非常透明 ， 同时结实 。
“12层高的空球 ， 就像房子一样可能垮塌 。 其他材料造不出来 ， 用有机玻璃也很难 。 因为有机玻璃很容易裂 。 ”曹俊说 ， “没有造这种球的国家标准 。 我们自己建造了一个力学实验室 ， 自己做出一套标准 。 ”
这个水晶球的准备工作已经就绪 。 当实验大厅开掘完毕后 ， 它将在现场搭建 ， 因为几十米的球无法通过隧道 。
最大的地下人工洞穴
JUNO的前辈是大亚湾中微子实验装置 。 它们都利用了核裂变反应释放的海量中微子 。 不同的是 ， 大亚湾侦测的是一个核电站的中微子；而JUNO则同时利用两个核电站 ， 10个反应堆的中微子 。
位于广东的阳江核电站将建6个反应堆 ， 台山核电站将建4个反应堆 。 JUNO距离两者都是53公里 。
曹俊告诉采访人员 ， 如探测器到多个反应堆的距离不相等 ， 中微子能谱上的小结构就会互相抵消(就像正弦信号的波峰波谷会抵消) 。 根据计算 ， 应在距离两个核电站均为53公里的一个宽200米长2公里的矩形区域设置探测器 。
53公里很远 ， 从反应堆来的中微子流会变弱 。 所以 ， JUNO与大亚湾探测器相比 ， 靶物质增重一千倍 。 JUNO的大玻璃球 ， 将浸泡在一个灌有3万吨纯净水的池里 ， 被钢架栓牢(以克服3000吨的浮力) 。 圆柱体的水池 ， 直径43.5米 ， 深44米 。 水池上方是各种测量设施 。
容纳这一切需要一个直径50米、高70米的巨型大厅 。 JUNO被设计在700多米的花岗岩山体下 ， 以屏蔽宇宙射线干扰 。
为此 ， JUNO正在山里凿出国内最大的地下洞穴 。 这也带来了很多麻烦 ， 打隧道和开挖大厅 ， 都碰上了涌水 ， 这使土建工程出现延期问题 。 项目组一边灌浆堵水 ， 一边抽水 。 他们不敢全部堵住出水点 ， 避免洞穴外围承压太大带来垮塌风险 。
精心调配的液体
中微子是这样被侦测到的：一个中微子撞上了一个质子 ， 就化为一个中子和一个正电子 。 正电子随即湮灭放出一道光 。 中子则加入某个原子核 ， 不稳定的原子核很快分裂并放出γ光子 。 因此 ， 一先一后两道光 ， 就是中微子碰撞的迹象 。
科学家制备液闪 ， 要它具备三个性质：质子特别多(创造机会让中微子撞)；特别透明(微光能射出去)；尽量不带放射性(避免发出没用的信号) 。
大亚湾实验中 ， 中国科学家调配出了当时世界上最好的液闪 。 而在JUNO ， 他们改进了配方 ， 液闪质量达到了新高 。
这种液闪主体是烷基苯 ， 加上一些特殊的配料 。 它比纯净的游泳池还要透明得多 ， 光线穿过几十米 ， 衰减不大 。
曹俊说 ， 为降低液体天然的放射性杂质(比如气态的氩、氪、氡 ， 或固态的铀) ， 要通过三氧化二铝过滤、减压蒸馏、水萃取、蒸汽剥离一系列工序 ， 相当于把几万吨的液体“洗一遍、蒸一遍” 。
实际上 ， JUNO的有机玻璃球材料 ， 以及其他各种器材的材料 ， 也要经过处理以消除放射性 。
看到微光
JUNO在测量中微子的同时 ， 也会接收到大量的无用信号 。 水池和水池顶部的一些探测器 ， 就是用来专门探测宇宙射线 ， 以将相关信号排除出去 。
曹俊介绍说 ， 2万吨液闪每天只能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子、以及90个太阳中微子 。 与之相比 ， 尽管山体遮挡让宇宙射线强度降低20万倍 ， 宇宙射线干扰信号每天仍有10万次 。
JUNO装了四万多只世界上最灵敏的眼睛——18000个20英寸的和26000个3英寸的光电倍增管 。 光电倍增管可以将微弱的光转化为电信号 。 由于JUNO要求极高的能量分辨率 ， 之前的商业产品达不到标准 。 为此国内几家企业和研究所联合攻关 ， 已经研制出探测效率世界最高而且便宜的产品 。
光电倍增管外形像大灯泡 ， 内部是真空的 ， 多年泡在水池里是有风险的 。 科学家考虑到：如果某个“灯泡”裂一点缝 ， 水瞬间吸入真空 ， 在空间中心反弹 ， 会形成激波 。 这种波破坏力极大 ， 会引发连锁反应 ， 毁掉其他的光电倍增管 。
为此 ， 他们给光电倍增管特制了一种保护罩 ， 即使受损 ， 水也不会急速涌入形成激波 。
“解决这些问题 ， 喜欢物理的科学家可能觉得不那么好玩 ， 比较繁琐 。 但要做出比较重要的科学成就 ， 必须要承担这些麻烦 。 ”曹俊说 。
在粒子物理标准模型中 ， 中微子是没有质量的 ， 而中微子振荡表明它具有质量 ， 这是一个超出标准模型的实验现象(暗物质是另一个标准模型无法解释的谜题) 。 所以中微子研究是现有理论的一个突破口 。
JUNO可能在2021年试运行 。 它将以相当高的确信度 ， 回答至关重要的“中微子质量顺序”的问题 ， 并精确测量多个中微子参数 ， 为物理学大厦添上重要的一块砖 。
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