江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室為何建在地下七百米

我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的建設(shè)進(jìn)入收官階段，11月20日，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器主體建成。這個(gè)位于廣東江門(mén)的大科學(xué)裝置建在地下700米，建成后將主要研究宇宙中的一種“幽靈粒子”——中微子。

中微子是什么

想要了解江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，首先要了解什么是中微子。據(jù)專家介紹，中微子是宇宙形成之初就存在的最古老也最原始的基本粒子之一，攜帶著非常多重要的神秘信息。中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，在最微觀的物質(zhì)世界和最宏觀的宇宙中起著重要作用，如果沒(méi)有中微子，太陽(yáng)不會(huì)發(fā)光，也不會(huì)有銀河系、地球，以及人類。

談到人類對(duì)中微子的研究歷史，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所實(shí)驗(yàn)物理中心中微子一組組長(zhǎng)何苗研究員對(duì)記者表示，自從奧地利科學(xué)家泡利在1930年提出“中微子假說(shuō)”以來(lái)，中微子的研究已經(jīng)走過(guò)了近百年歷史。20世紀(jì)七十年代，中微子中性流過(guò)程的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)成為粒子物理學(xué)史上的里程碑。在2000年前后，日本和加拿大的中微子實(shí)驗(yàn)裝置首次觀測(cè)到了大氣和太陽(yáng)中微子的振蕩現(xiàn)象，這一突破為兩國(guó)科學(xué)家贏得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

建在地下700米

地下700米是什么概念？中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所高級(jí)工程師錢(qián)小輝表示，實(shí)驗(yàn)室的位置到其正上方的山頂有700米距離，如果把廣州地標(biāo)“小蠻腰”放進(jìn)地下，塔尖離山體表面還有100米。

為什么要將探測(cè)、研究中微子的大科學(xué)裝置建在700米地下呢？中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員衡月昆接受媒體采訪時(shí)表示，中微子又被稱為“幽靈粒子”，是指它極其難探測(cè)，因?yàn)樗镔|(zhì)發(fā)生作用的概率特別低，物質(zhì)很難阻擋它，其穿透能力特別強(qiáng)，所以探測(cè)難度特別大。

何苗對(duì)記者表示，在日本和加拿大的中微子實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)現(xiàn)大氣和太陽(yáng)中微子的振蕩現(xiàn)象之后，中國(guó)的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)于2012年首次揭示了中微子振蕩的第三種模式。這一發(fā)現(xiàn)不僅完善了中微子振蕩的理論框架，還為下一代實(shí)驗(yàn)在確定中微子質(zhì)量順序等方面指明了方向。在這一背景下，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，其首要物理目標(biāo)是通過(guò)探測(cè)反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的中微子能譜，確定中微子的質(zhì)量順序。

據(jù)何苗介紹，根據(jù)中微子振蕩理論，探測(cè)器在距離反應(yīng)堆50公里附近的位置上具有最高的靈敏度。另一方面，來(lái)自宇宙的射線同樣會(huì)被探測(cè)器觀測(cè)到，干擾對(duì)中微子的探測(cè)。巖石能夠有效屏蔽宇宙射線，因此，探測(cè)器需要建在地下。700米的山體可以將宇宙射線的事件率降低近10萬(wàn)倍。江門(mén)市金雞鎮(zhèn)的打石山距離具有高功率反應(yīng)堆的臺(tái)山和陽(yáng)江核電站均為53公里，并且打石山的山體能夠有效屏蔽宇宙射線，為實(shí)驗(yàn)提供理想環(huán)境。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置什么樣

從上空俯瞰，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置的主體就像一個(gè)泡在水中的西瓜，整個(gè)球體構(gòu)成了世界上能量精度最高、規(guī)模最大的液體閃爍體探測(cè)器。核心探測(cè)設(shè)備位于地下700米的實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)44米深的水池中央，它由直徑41米的不銹鋼網(wǎng)殼、直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，以及數(shù)萬(wàn)噸液體閃爍體、4.5萬(wàn)個(gè)光電倍增管等關(guān)鍵部件組成。

專家表示，液體閃爍體是探測(cè)中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過(guò)探測(cè)器時(shí)，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，從而被光電倍增管探測(cè)到。4.5萬(wàn)個(gè)光電倍增管相當(dāng)于“眼睛”，密布在不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)側(cè)，面朝有機(jī)玻璃球，時(shí)刻“盯緊”玻璃球里面發(fā)出的光信號(hào)，將中微子被俘獲時(shí)發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并放大1000萬(wàn)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。

“要精確測(cè)量中微子的質(zhì)量，目前的方法是通過(guò)觀測(cè)中微子振蕩，來(lái)獲取其相對(duì)質(zhì)量。描述中微子振蕩需要用到6個(gè)參數(shù)，其中已經(jīng)有4個(gè)半?yún)?shù)被科學(xué)家成功測(cè)量。大亞灣實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)為這一領(lǐng)域作出了貢獻(xiàn)，測(cè)量了其中的1個(gè)參數(shù)?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家王貽芳說(shuō)，“未來(lái)剩下那1個(gè)半?yún)?shù)，就是我們需要努力解決的?！?/p>

據(jù)報(bào)道，為了測(cè)量這剩下的1個(gè)半?yún)?shù)，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)需要建造一個(gè)有效質(zhì)量為兩萬(wàn)噸的低本底、高透明度的球形液體閃爍體探測(cè)器，也就是中心探測(cè)器“大玻璃球”。這顆玻璃球的有機(jī)玻璃凈重約600噸——是世界上最大的單體有機(jī)玻璃球。玻璃球內(nèi)部，將會(huì)灌滿液體閃爍體。它將會(huì)浸泡在圓柱形的水池中，池內(nèi)灌裝有數(shù)萬(wàn)噸高純水，水里純凈到連微生物都沒(méi)有。水池兼做水切倫科夫探測(cè)器和天然放射性屏蔽體，頂部為約1000平方米的宇宙線徑跡探測(cè)器。

王貽芳表示，我們一方面想知道中微子的絕對(duì)質(zhì)量是多少，另外一方面也想通過(guò)中微子的振蕩知道中微子之間的相對(duì)質(zhì)量差是多少。通過(guò)這些質(zhì)量的研究，可以構(gòu)造對(duì)物質(zhì)世界理解的理論，基于此也可以跟宇宙的起源演化聯(lián)系起來(lái)，讓我們理解宇宙和物質(zhì)世界。

（摘自《環(huán)球時(shí)報(bào)》劉揚(yáng)、冷舒眉）