700米地下,这个中国主导的探测器将探秘“幽灵粒子”

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 浪潮击水,军事&法学爱好者

  在广东省江门市的一个偏僻大山中,中国正在兴建一项新的国家工程,它位于700多米深的花岗岩下,主体是一个12层楼高的 “水晶球”,这就是中国目前为止最复杂的高能物理实验装置——江门中微子实验装置。

  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,但由于“中微子”这个词语与大部分国民的生活相距甚远,因此江门中微子实验室的建设并不为大众所知。


  (江门实验室“全貌”:一个貌不惊人的“小村庄”)

  这个耗资巨大的实验室,研究的对象——中微子到底是什么?技术进步在哪些方面?对于中国基础科学的科研又有何意义?要回答这些问题,就需要从实验室的选址和结构设计说起,深入地下来探究这套实验装置的创新性设计。

  (一)中微子究竟是什么?

  中微子被科学家们称为“幽灵粒子”,是构成物质世界的一种基本粒子,与其他的基本粒子,如夸克和带电轻子相比,它不带电,质量轻,与其他物质的相互作用截面非常小,这也意味着它难以被探测。但中微子又无处不在,每一天就有上万亿个中微子自由穿透我们的身体。

  1930年,泡利为了解释贝塔衰变中能量不守恒而首次提出了中微子这一概念,此后物理学界一直被这个难以被探测的神秘幽灵所困扰,从1956年柯万和雷因斯首次直接探测到中微子,到2000年费米实验室发现最后一种中微子,历经四十四年,科学家们终于探测到了全部三种中微子。

  在此之后,对中微子的研究并没有停下:科学家们不仅推进基础科学方面的研究,比如探究中微子在核反应中起到的关键作用(对于分析恒星内部结构和核反应的过程至关重要);同时也在应用层面不断探索,寻找中微子帮助人类发现地球内能量来源的可行性,在未来甚至可能作为一种新型通讯手段为人类所利用。


  (大亚湾中微子实验室中安置探测器的大型水池)

  (二)中微子实验室为何建在江门建在地下?

  中国的中微子实验装置有两个,一个位于大亚湾核电站内,另一个就是江门中微子实验。

  在大亚湾中微子实验积累的实践经验表明,探测器可以探测到的中微子数正比于核反应热功率和探测器的有效质量,江门中微子实验室的选址就巧妙地利用了台山、阳江两处核电站的放射源。

  阳江和台山核电站有效的反应堆群功率世界第一,相较于大亚湾中微子实验室依靠的四座反应堆共计11.6GW的能量,台山、阳江核电站两处共计十座反应堆,总热功率35.8GW的能量,为探测器提供了更加充足的实验样本。

  江门中微子实验(JUNO)的建设在2008年被首次提出,2013年正式启动,目的就是为了继续研究2012年大亚湾实验发现的中微子振荡。


  (江门中微子实验室位于两座核电站中轴线位置)

  另外,由于自然环境中的中微子分布稀少,从控制实验变量的角度来讲,宇宙线本底的变化将严重影响到实验的观测数据和结果。

  根据中科院高能物理所研究员曹俊介绍,两万吨液体闪烁体每天只能捕获到六十个反应堆中的中微子,四个大气中的中微子,一个地球中的中微子,以及九十个太阳中的中微子,但是宇宙射线干扰信号每天都是数以亿计的。

  因此,实验室选址在一处外部山高300余米的山坳中,同时实验室本身深埋在700米地下,被细密的花岗岩层覆盖。设计建造时初步模拟计算,宇宙线流强度为0.003Hz/m2,比地表降低了五万倍,再加上实验室采用的低放射性本底技术降低实验设备的“底噪”,成功地将外界的影响降低到远低于探测灵敏度的范围内。

  这是江门实验室得天独厚的“地利”优势。


  (为了尽量减小误差,进入地下试验区的隧道设计为竖井加斜井的方案)

  (三)世界上最大的“水晶球”

  深入地底,我们才得以窥见中微子实验的核心装置——探测器。

  这是世界上最大的“水晶球”,但实际的建造材料并非玻璃,而是一个以有机玻璃为外体、直径35.4米、有效质量两万吨的球体容器,为了保证探测器的整体透明度,提高灵敏度,内部盛有不掺杂的液体闪烁体(以烷基苯为主,在江门实验室首次使用,具有无毒且易于生物降解的优点)。

  为了进一步降低其它放射源对探测器的干扰,这种液体通过三氧化二铝过滤,减压蒸馏,水萃取,蒸汽剥离等一系列工序降低天然放射性。

  最外层为白油屏蔽层,厚1.5米,盛于直径为39米的不锈钢罐内。18000个50厘米直径的广电倍增管安置在白油屏蔽层内,当中微子穿过探测器时,偶尔会在探测器内发生反应,发出微弱的闪烁光,这种闪烁光被光电倍增管捕捉为实验数据。


  (探测器内部密布的光电倍增器)

  闪烁光能否被有效捕捉,跟倍增管的直径有直接联系。

  日本冈神中微子实验室早在上个世纪八十年代就已经采用了20英寸光电倍增管,但是中国由于技术水平的限制,在二十多年后的大亚湾中微子实验室建造中我们只能从日本滨松公司购买八英寸的光电倍增管。

  为了满足更高的实验要求,设计生产直径更大,并且拥有自主知识产权的倍增管对于中国中微子实验便势在必行。

  江门实验室的20英寸光电倍增管阵列,最早在2011年,由中国科学院高能物理研究所牵头,中科院西安光电精密机械研究所和南京大学等单位共同组成的大尺寸微通道板型光电倍增管产学研合作组开始研究,经过四年攻关而生产出来。


  (新旧两个尺寸的光电倍增管大小对比)

  相比于目前国际上通常采用的金属打拿级型光电倍增管的探测器设计方案,我们采用微通道板作为电子倍增系统实现电子放大,这让电子收集率可以达到百分之九十八以上,从而保证在量子效率基本相当的情况下,探测效率超过日本的同类产品。


  (三个实验室的光收集效率比较)

  另外,除了20英寸大尺寸的倍增管之外,整个装置还有约34000个三英寸的辅助光电倍增管,实现光电倍增管光阴极覆盖率超过百分之七十五,达到了世界先进水平。


  (内外双层的探测器结构,水池底部内壁上安放有20英寸光电倍增管)

  探测器整体被浸没于一个大型水池内,上下四周水体保持两米以上以进一步屏蔽干扰本底,并配套有世界上最大的高真空转移设备。

  这一系列的设计最终使装置能量分辨率达到了全球最高水平的百分之三,为实验室添了一双世界上最灵敏的“眼睛”,让它能看见世界上最微弱的“光”。

  (四)中国的中微子研究:剑指国际前沿

  通过上面的介绍,我们已经知道,中微子质量极小难以被测量,虽然早已预言了它的存在,但是实际探测却困难重重。

  在1957年庞蒂科夫提出一种假设:假如中微子有微小的质量,而且存在不同种类的中微子,就有可能会出现一种中微子在运动中变成为另一种中微子,这就是中微子振荡。

  1998年日本超级神冈实验(Super-K)首次发现大气中微子存在振荡现象。

  在量子领域里,虽然中微子本身不能被探测,只能通过弱相互作用探测。但在中微子接近光速飞行时,不同质量本征态的物质波固有频率不同,飞行一段距离后由于量子相干,有一部分便成为其他种类中微子,这种粒子束微观上的变化在宏观上观察,就是中微子振荡。

  在发现这种现象后进行的太阳中微子、反应堆中微子和加速器中微子实验的结果,进一步坚实的证明了中微子具有质量。


  (日本和加拿大科学家由于证实了中微子具有质量获得了2015年的诺贝尔物理学奖)

  中国的中微子实验研究虽然起步较晚,在2003年才首次提出进行大亚湾反应堆中微子实验的构想,但在实验室2011年底建成之后,短短两个月后就发现了新的中微子振荡模式,也是世界上发现的第三种中微子振荡模式,被美国《科学》杂志评为当年的十大科学突破。

  在大亚湾的成功经验下,国家确定了继续进行中微子振荡模式的探索,并利用中微子的这种特性进行测量中微子质量顺序的工程,这就是大亚湾中微子实验室的后继者——江门实验室的主要研究方向。

  当然,中微子质量顺序的研究也只是开始,在粒子物理标准模型中,中微子没有质量,所以中微子振荡现象证明中微子具有质量的结果超出了现有模型(超出模型的物理学学还有暗物质、暗能量、反物质等等),可以说已经触摸到了目前人类理论物理水平的边界。

  江门中微子实验室预计在2021年试运行,利用这些先进的实验工具精确测量其参数,对当前中微子的多个未知问题进行国际领先水平的研究,这可能就是突破现有物理基础科学瓶颈的关键。

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  编辑| 史文慧

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