揭秘 “深藏”地下的實(shí)驗(yàn)室江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置

武建華

?安裝中的液閃蒸汽剝離純化裝置

深藏在地下700米的江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器，是中國(guó)為研究中微子而建設(shè)的大科學(xué)裝置。這個(gè)神秘的探測(cè)器長(zhǎng)什么樣？它為什么要建在地下那么深的地方？又是如何探測(cè)中微子的呢？

浸泡在水池中的探測(cè)器

江門中微子探測(cè)器位于廣東省江門市開(kāi)平市金雞鎮(zhèn)打石山。為了屏蔽宇宙線，它被安裝在地下700米處，實(shí)驗(yàn)廳跨度約50米，是目前中國(guó)跨度和土石方量最大的地下實(shí)驗(yàn)硐（dòng，山洞）室。

江門中微子探測(cè)器是一個(gè)有效質(zhì)量為2萬(wàn)噸的液體閃爍體探測(cè)器，比目前國(guó)際上最大的液體閃爍體探測(cè)器大20倍；設(shè)計(jì)能量精度為3%，比國(guó)際上能量精度最佳的探測(cè)器提高了1倍。

江門中微子探測(cè)器的“十八般武藝”

測(cè)量中微子質(zhì)量順序。中微子質(zhì)量順序決定了中微子的味結(jié)構(gòu)，直接影響中微子與其他物質(zhì)的相互作用，并在宇宙演化、太陽(yáng)及超新星中微子的產(chǎn)生與傳播中有重要影響。

對(duì)中微子混合參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量。其精度將比目前實(shí)驗(yàn)的精度提高10倍以上。

探測(cè)超新星爆發(fā)時(shí)射出的中微子。超新星爆發(fā)時(shí)，大約99%的能量在10～30秒內(nèi)以中微子的形式被發(fā)射出來(lái)，并產(chǎn)生大量不同能量、不同味道的中微子。對(duì)于典型的超新星爆發(fā)，江門中微子探測(cè)器一次可以探測(cè)到5000～8000個(gè)中微子。

有望首次判定地球物理模型。地球內(nèi)部的鈾、釷（tǔ）放射性元素產(chǎn)生的地?zé)崾球?qū)動(dòng)地球演化的主要因素之一。它們衰變產(chǎn)生的中微子被稱為地球中微子。不同的地球演化模型預(yù)言了不同的鈾、釷含量，江門中微子探測(cè)器能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)地球中微子，有望首次判定地球物理模型（用來(lái)研究和解釋地球形勢(shì)、天氣和海洋形勢(shì)等地球特性的科學(xué)理論和方法）。

江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器示意圖

尋找“隱形人”的利器

光電倍增管是江門中微子探測(cè)器的核心器件之一，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域。它像眼睛一樣，捕捉液閃發(fā)出的閃爍光，將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)記錄下來(lái)，再分析是不是由中微子發(fā)出的。

液閃既是中微子的靶物質(zhì)，也是探測(cè)中微子的介質(zhì)。江門中微子探測(cè)器的液閃由烷基苯、PPO（聚苯醚）和bis-MSB3種物質(zhì)混制而成。烷基苯是溶劑，PPO是發(fā)光物質(zhì)，bis-MSB是波長(zhǎng)位移劑，吸收PPO發(fā)出的光并重新發(fā)射，將光譜調(diào)整到光電倍增管靈敏范圍內(nèi)。

江門中微子探測(cè)器使用的液閃，其主要挑戰(zhàn)來(lái)自極低本底（進(jìn)行某種檢測(cè)，如放射性檢測(cè)等，沒(méi)有進(jìn)樣時(shí)檢測(cè)器測(cè)得或輸出的信號(hào)值）和極高透明度的要求。在此前的大亞灣核反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)裝置（2020年12月正式退役）中使用的液閃，其透明度在當(dāng)時(shí)已是國(guó)際上最好的水平，但如果直接用于江門中微子探測(cè)器，約70%的光仍舊會(huì)損失在液閃中而無(wú)法被光電倍增管“看到”。

?已安裝的光電倍增管

?安裝中的液閃蒸汽剝離純化裝置

為進(jìn)一步提高烷基苯的透明度、降低液閃的放射性本底水平，研究人員為江門中微子探測(cè)器精心設(shè)計(jì)了4套大型純化設(shè)施——先將2萬(wàn)噸的烷基苯“濾”一遍、“蒸”一遍，混制成液閃后再“洗”一遍、“吹”一遍。通過(guò)氧化鋁過(guò)濾吸附雜質(zhì)，提高烷基苯的透明度；通過(guò)蒸餾和水萃，去除液閃的放射性雜質(zhì)；最后，用氣體剝離去除殘存的氡氣和氪氣。

江門中微子探測(cè)器中，直徑41米的球形不銹鋼網(wǎng)殼是目前中國(guó)最大的單體不銹鋼主結(jié)構(gòu)，由預(yù)制的H型鋼通過(guò)12萬(wàn)套高強(qiáng)螺栓拼接而成。其結(jié)構(gòu)制造精度要求連接孔與環(huán)槽鉚（mǎo）釘?shù)陌惭b間隙不超過(guò)1毫米，球形網(wǎng)殼網(wǎng)格拼裝精度小于3毫米。

?安裝完成的中心探測(cè)器不銹鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

江門中微子探測(cè)器于2021年底正式開(kāi)始安裝，2022年6月完成中心探測(cè)器不銹鋼主結(jié)構(gòu)的安裝，計(jì)劃在今年完成探測(cè)器核心部件安裝，2024年完成灌裝并試運(yùn)行取數(shù)。這個(gè)“藏”在地下700米的大科學(xué)裝置，有望率先精確測(cè)量出中微子的質(zhì)量順序，同時(shí)在地球中微子、太陽(yáng)中微子等探測(cè)中取得一系列重大成果，讓我們一起期待吧！

知識(shí)鏈接? “隱形人”——中微子

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的單元之一。它們不帶電，質(zhì)量是電子的百萬(wàn)分之一，與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，因此中微子如隱形人一般，極難被探測(cè)到。從1930年科學(xué)家理論預(yù)言中微子的存在，到1956年第一次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子，用了20多年的時(shí)間。即便如此，關(guān)于中微子仍有許多基本的科學(xué)問(wèn)題未解決。

已探測(cè)到的中微子共有3種味道。這里的味道不是口味，而是美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼和德國(guó)物理學(xué)家哈羅德·弗里奇提出的概念。他們?yōu)榱藚^(qū)分粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的12種基本粒子，將質(zhì)量小的粒子叫作“輕味”，質(zhì)量大的粒子叫作“重味”。

3種味道的中微子會(huì)相互轉(zhuǎn)化，這被稱為中微子振蕩。中微子振蕩對(duì)應(yīng)3個(gè)混合參數(shù)——θ12、θ23、θ13。國(guó)外科學(xué)家先后在1998年、2001年測(cè)到了θ23和θ12，中國(guó)科學(xué)家于2012年測(cè)到了θ13。

?正在建造中的有機(jī)玻璃球

（責(zé)任編輯 / 高琳 美術(shù)編輯 / 周游）