軍武

在廣東江門，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施江門中微子實驗裝置正在緊張建設(shè)中。目前，位于地下700米的中心探測器有機玻璃球已經(jīng)完成赤道層安裝，預(yù)計2023年底完成整個探測器的建設(shè)，2024年開始運行取數(shù)。這是世界上最先進的中微子實驗室，實驗建造的中微子探測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?？茖W(xué)家相信，宇宙在大爆炸之初，同時產(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。探測來自超新星的中微子，還能夠告訴我們超新星爆發(fā)的機制。

站在實用角度來看，研究中微子也非常有意義。因為中微子個頭小、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，也不像光那樣會受引力影響，所以中微子在運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，都不會造成通信中斷了！美國費米實驗室就曾做過實驗，成功地用中微子實現(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，如果能用中微子探測器，就能不受阻礙地實時監(jiān)測核電站反應(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家卻沒有幾個。原因很簡單，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，會產(chǎn)生強烈的輻射和粒子干擾，這對于實驗的正常進行會產(chǎn)生很大影響。所以要想建設(shè)中微子實驗室，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，從而提高實驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

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

液體閃爍體會被密封在由鋼和有機玻璃制作而成的容器中，是探測中微子的介質(zhì)，當大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內(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。這個超純水和我們喝的純凈水不一樣，它是經(jīng)過嚴格的技術(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轉(zhuǎn)變成電信號的光電倍增管，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，是為了給探測器一個“干凈的環(huán)境”，把探測器放在很深的地下，就可以用巖石來阻擋宇宙射線；把探測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。

這個中微子閃爍探測器部件的建造難度非常高。比如其水罐外殼，是一個不銹鋼網(wǎng)殼，要用低放射性本底的不銹鋼材料制成；里面是一個很薄的有機玻璃球，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“探測器眼睛”。這些橢圓形的“黃金瞳”可以將中微子的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并放大1 000萬倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計算機分析處理。

中微子探測一直被西方發(fā)達國家所壟斷，目前全世界僅有4個中微子探測器，分別是日本的神岡探測器、加拿大的薩德伯里中微子觀測站、美國厄文－密歇根－布魯克海汶（IMB）探測器以及位于南極的 IceCube中微子觀測站（美國）。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所，也不過5個。

正因為如此，世界中微子研究的成果也都掌握在這些國家手中，比如大麥哲倫星系的超新星爆炸1987A發(fā)射出10^58個中微子。其中僅有25個在地球上被探測到，包括日本神岡探測器探測到的12個，美國厄文－密歇根－布魯克海汶（IMB）探測器探測到的8個，蘇聯(lián)巴克三探測器探測到的5個。

為何日本的神岡探測器探測到的最多？這是因為日本的探測器最先進，被日本人稱為超級神岡探測器。超級神岡探測器位于地下1 000米，其高約40米，直徑約39米，當中有著11 200個光電倍增管，光超純水就有5萬噸。

雖然這個探測器花了日本150億日元，但仍然是值得的，因為它給日本帶來了兩個諾貝爾獎。

中國人不會缺席中微子研究

美國目前也計劃在南達科他州桑福德地下研究中心地下1.5千米深處建設(shè)一個新的世界最大的中微子探測器。

為了打破西方國家對中微子研究的壟斷，2003年，中國科學(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，大亞灣實驗室拔得頭籌：發(fā)現(xiàn)了中微子第三種振蕩模式，并精確測量到其振蕩概率。年底，大亞灣中微子實驗成果入選美國《科學(xué)》雜志2012年度十大科學(xué)突破。

但是，因為實驗條件有限，要想取得更好的實驗效果，就需要更好的探測器。

為此，2013年，江門中微子實驗項目立項了。江門市距離陽江、臺山兩處核電站均為53千米，兩大反應(yīng)堆全面建成后總功率居世界第一，可獲得雙倍的實驗樣本。可以說，這里是目前全球最適合做中微子實驗的地方。

為了建設(shè)這個江門探測器，中國克服困難，實現(xiàn)了很多工程物理學(xué)上的奇跡。

比如探測器中的不銹鋼網(wǎng)殼，是國內(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。

僅僅這個網(wǎng)架，就耗費了900噸鋼材，由12萬套高強螺栓才能固定。網(wǎng)架內(nèi)部是世界上最大的單體有機玻璃結(jié)構(gòu)——直徑35.4米、厚度卻僅有120毫米的有機玻璃球。雖然“薄如蛋殼”，卻有著極強的堅固性。科研人員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)量為日本超級神岡探測器的4倍，如果從國外進口，就意味著造價要遠超日本神岡探測器。最終，中國科研工作者花費巨大代價，實現(xiàn)了光電倍增管的國產(chǎn)化，打破了國外30多年的壟斷。

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

明確這個順序，有助于人類進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，而且會決定后續(xù)實驗的發(fā)展方向，是國際公認的中微子研究的當務(wù)之急。如果能取得這個突破，拿個諾貝爾獎就是妥妥的。

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