神秘的中微子

軍武

在廣東江門，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置正在緊張建設(shè)中。目前，位于地下700米的中心探測(cè)器有機(jī)玻璃球已經(jīng)完成赤道層安裝，預(yù)計(jì)2023年底完成整個(gè)探測(cè)器的建設(shè)，2024年開始運(yùn)行取數(shù)。這是世界上最先進(jìn)的中微子實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)建造的中微子探測(cè)器將是世界上能量精度最高、規(guī)模最大的液體閃爍體探測(cè)器。

什么是中微子

中微子又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用希臘字母v表示。

中微子有三種類型：電子中微子，繆子或μ中微子，陶子或τ中微子。在目前已知物質(zhì)世界的12種基本粒子中，中微子的種類占了四分之一。

那么，為什么要研究中微子呢？

我們都知道，根據(jù)宇宙大爆炸理論，我們的宇宙產(chǎn)生于137億年前的一次大爆炸。科學(xué)家相信，宇宙在大爆炸之初，同時(shí)產(chǎn)生了物質(zhì)世界和反物質(zhì)世界，只是反物質(zhì)世界后來消失了。它到哪里去了呢？要揭示反物質(zhì)世界的消失之謎，就要從現(xiàn)存的物質(zhì)世界中尋找蛛絲馬跡。

科學(xué)家研究后認(rèn)為，中微子的歷史十分古老，宇宙爆炸后幾秒，它們就誕生了，所以它們攜帶了比光更早期的宇宙信息，其中就包含了反物質(zhì)世界是如何消失的重大信息?？茖W(xué)家甚至認(rèn)為，在100多億年前，由于中微子的作用，反物質(zhì)消失了，最終形成了我們的世界，如果破解了中微子的信息，就可以破解宇宙形成的秘密。

另外，構(gòu)成地球的大部分元素實(shí)際上都是超新星爆發(fā)形成的，中微子帶走了超新星爆發(fā)出的99%的能量。探測(cè)來自超新星的中微子，還能夠告訴我們超新星爆發(fā)的機(jī)制。

站在實(shí)用角度來看，研究中微子也非常有意義。因?yàn)橹形⒆觽€(gè)頭小、不帶電，質(zhì)量非常輕，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，可以幾乎不受阻擋地直線穿過山脈、海洋甚至星球，也不像光那樣會(huì)受引力影響，所以中微子在運(yùn)行過程中幾乎沒有什么能夠阻擋它。這不是一種絕佳的通信工具嗎？無論什么阻隔，都不會(huì)造成通信中斷了！美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室就曾做過實(shí)驗(yàn)，成功地用中微子實(shí)現(xiàn)了通信，帶寬為0.1bps（位/秒），誤碼率僅有百分之一。

除此之外，中微子探測(cè)器還有助于監(jiān)控核反應(yīng)的過程。畢竟核反應(yīng)的環(huán)境非常危險(xiǎn)，如果能用中微子探測(cè)器，就能不受阻礙地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)核電站反應(yīng)堆的功率，并了解其燃料的反應(yīng)情況。

為什么研究中微子的國(guó)家那么少

雖然中微子研究的意義很大，但世界上有資格研究它的國(guó)家卻沒有幾個(gè)。原因很簡(jiǎn)單，研究中微子太難了。

地球大氣層中存在著許多高能宇宙射線，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射和粒子干擾，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生很大影響。所以要想建設(shè)中微子實(shí)驗(yàn)室，就必須在地層之下，最好是500米以下，讓地層過濾掉干擾粒子的影響，還能提供比較穩(wěn)定的溫度、濕度，從而提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

在中微子實(shí)驗(yàn)室中，不僅要深挖洞，最關(guān)鍵的是中微子閃爍探測(cè)器部件。這個(gè)探測(cè)器部件外形像一個(gè)巨大的罐子，由數(shù)萬噸的液體閃爍體和數(shù)萬只光電倍增管組成。

液體閃爍體會(huì)被密封在由鋼和有機(jī)玻璃制作而成的容器中，是探測(cè)中微子的介質(zhì)，當(dāng)大量中微子穿過探測(cè)器時(shí)，偶爾會(huì)在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光。

液體閃爍體有兩種：一是烷基苯，二是超純水。這個(gè)超純水和我們喝的純凈水不一樣，它是經(jīng)過嚴(yán)格的技術(shù)提煉出來的超純水，電阻率一般大于18 MΩ.cm。這是什么概念呢？我們常見的絕緣體——木頭，它的電阻率也只有15MΩ.cm左右，可以說超純水比木頭還絕緣。

液體閃爍體中將安裝可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的光電倍增管，中微子在液體閃爍體中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的閃爍光可以被光電倍增管捕捉到。之所以這樣設(shè)計(jì)，是為了給探測(cè)器一個(gè)“干凈的環(huán)境”，把探測(cè)器放在很深的地下，就可以用巖石來阻擋宇宙射線；把探測(cè)器泡在液體閃爍體中，就可以用水來阻擋來自巖石、空氣、灰塵的天然放射性。

這個(gè)中微子閃爍探測(cè)器部件的建造難度非常高。比如其水罐外殼，是一個(gè)不銹鋼網(wǎng)殼，要用低放射性本底的不銹鋼材料制成；里面是一個(gè)很薄的有機(jī)玻璃球，不僅要保證其裝上幾萬噸液體而不被壓塌，還要保證其重量不會(huì)把不銹鋼網(wǎng)殼壓壞。

至于里面的光電倍增管就更難了，它被稱為“探測(cè)器眼睛”。這些橢圓形的“黃金瞳”可以將中微子的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并放大1 000萬倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計(jì)算機(jī)分析處理。

中微子探測(cè)一直被西方發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，目前全世界僅有4個(gè)中微子探測(cè)器，分別是日本的神岡探測(cè)器、加拿大的薩德伯里中微子觀測(cè)站、美國(guó)厄文－密歇根－布魯克海汶（IMB）探測(cè)器以及位于南極的 IceCube中微子觀測(cè)站（美國(guó)）。加上蘇聯(lián)1977年在貝加爾湖底建設(shè)的巴克三中微子觀測(cè)所，也不過5個(gè)。

正因?yàn)槿绱耍澜缰形⒆友芯康某晒捕颊莆赵谶@些國(guó)家手中，比如大麥哲倫星系的超新星爆炸1987A發(fā)射出10^58個(gè)中微子。其中僅有25個(gè)在地球上被探測(cè)到，包括日本神岡探測(cè)器探測(cè)到的12個(gè)，美國(guó)厄文－密歇根－布魯克海汶（IMB）探測(cè)器探測(cè)到的8個(gè)，蘇聯(lián)巴克三探測(cè)器探測(cè)到的5個(gè)。

為何日本的神岡探測(cè)器探測(cè)到的最多？這是因?yàn)槿毡镜奶綔y(cè)器最先進(jìn)，被日本人稱為超級(jí)神岡探測(cè)器。超級(jí)神岡探測(cè)器位于地下1 000米，其高約40米，直徑約39米，當(dāng)中有著11 200個(gè)光電倍增管，光超純水就有5萬噸。

雖然這個(gè)探測(cè)器花了日本150億日元，但仍然是值得的，因?yàn)樗o日本帶來了兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

中國(guó)人不會(huì)缺席中微子研究

美國(guó)目前也計(jì)劃在南達(dá)科他州桑福德地下研究中心地下1.5千米深處建設(shè)一個(gè)新的世界最大的中微子探測(cè)器。

為了打破西方國(guó)家對(duì)中微子研究的壟斷，2003年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科研人員提出設(shè)想，利用大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩。

2012年3月8日，大亞灣實(shí)驗(yàn)室拔得頭籌：發(fā)現(xiàn)了中微子第三種振蕩模式，并精確測(cè)量到其振蕩概率。年底，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)成果入選美國(guó)《科學(xué)》雜志2012年度十大科學(xué)突破。

但是，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限，要想取得更好的實(shí)驗(yàn)效果，就需要更好的探測(cè)器。

為此，2013年，江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)了。江門市距離陽(yáng)江、臺(tái)山兩處核電站均為53千米，兩大反應(yīng)堆全面建成后總功率居世界第一，可獲得雙倍的實(shí)驗(yàn)樣本?？梢哉f，這里是目前全球最適合做中微子實(shí)驗(yàn)的地方。

為了建設(shè)這個(gè)江門探測(cè)器，中國(guó)克服困難，實(shí)現(xiàn)了很多工程物理學(xué)上的奇跡。

比如探測(cè)器中的不銹鋼網(wǎng)殼，是國(guó)內(nèi)最大的單體不銹鋼主結(jié)構(gòu)之一，直徑41米，將承載35.4米直徑的有機(jī)玻璃球、20 000噸液體閃爍體、20 000只20英寸光電倍增管、25 000只3英寸光電倍增管，以及前端電子學(xué)、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多關(guān)鍵部件。

僅僅這個(gè)網(wǎng)架，就耗費(fèi)了900噸鋼材，由12萬套高強(qiáng)螺栓才能固定。網(wǎng)架內(nèi)部是世界上最大的單體有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)——直徑35.4米、厚度卻僅有120毫米的有機(jī)玻璃球。雖然“薄如蛋殼”，卻有著極強(qiáng)的堅(jiān)固性?？蒲腥藛T采用了本體粘接工藝，讓263塊玻璃板渾然一體，完全看不出一點(diǎn)兒拼接的痕跡。

還有其中的4.5萬只光電倍增管，數(shù)量為日本超級(jí)神岡探測(cè)器的4倍，如果從國(guó)外進(jìn)口，就意味著造價(jià)要遠(yuǎn)超日本神岡探測(cè)器。最終，中國(guó)科研工作者花費(fèi)巨大代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了光電倍增管的國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外30多年的壟斷。

如今，江門中微子實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建造了10年，與美、日相比，江門中微子實(shí)驗(yàn)室將最早建成，也最有希望率先測(cè)得3種中微子的質(zhì)量順序。

明確這個(gè)順序，有助于人類進(jìn)一步理解中微子的質(zhì)量起源和解決宇宙反物質(zhì)消失之謎，而且會(huì)決定后續(xù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向，是國(guó)際公認(rèn)的中微子研究的當(dāng)務(wù)之急。如果能取得這個(gè)突破，拿個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)就是妥妥的。

要不了多久，江門中微子探測(cè)器內(nèi)就會(huì)充滿數(shù)萬噸的液體閃爍體。它們將和數(shù)萬個(gè)光電倍增管一起，靜靜等待中微子點(diǎn)亮。