看“大国重器”如何捕获“幽灵粒子”

●董有逸

近日，我国重大科技基础设施——江门中微子实验建设进入收官阶段。这个位于江门开平的大科学装置深藏在地下700米，建成后将主要研究宇宙中的一种“幽灵粒子”——中微子。

中微子是构成物质世界最小的单元之一，几乎不与任何物质发生相互作用，不容易被捕捉到。中国科学院高能物理研究所的科学家衡月昆说：“中微子是人类迄今了解最少的一种基本粒子，存在着诸多未解的谜题。”21世纪初，中微子成为高能物理学的宠儿，相关实验研究也取得了许多重大发现。大亚湾中微子实验是中国第一代大型中微子实验，2011年正式运行。次年3月，大亚湾中微子实验宣布发现中微子振荡新模式，被《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破之一。在作出重大贡献后，2020年12月12日，大亚湾中微子实验装置正式退役，江门中微子实验接棒。

大亚湾中微子实验和江门中微子实验有什么不同？对此，衡月昆解释，两个实验虽然都是研究中微子，但具体科学目标完全不同。“大亚湾中微子实验的科学目标是利用核反应堆产生的中微子来测定中微子第三种振荡模式，而江门中微子实验要实现对中微子质量顺序和中微子振荡参数的精确测量。”

走进江门中微子实验室办公楼，白墙上的十几个大字映入眼帘——“下一个挑战：中微子质量顺序”。这次的“幽灵粒子捕手”，是中国科学院院士王贻芳和他所带领的团队。从接棒大亚湾中微子实验的那一刻起，王贻芳与他的团队就瞄准了这个重要谜题。在诸多不确定性中，项目团队首先要回答一个问题：捕获“幽灵粒子”中微子，哪里才是最合适的地点？答案出乎意料很快就确定了：位于江门开平金鸡镇的一座深山里。为什么选择江门？衡月昆解释，核反应堆是地球上产生中微子最集中的位置。江门市距离阳江、台山两处核电站均为53千米，两大反应堆全面建成后总功率居世界第一，可获得双倍的实验样本。

“可以说，这里是目前全球最适合做反应堆中微子实验的地方之一。”他进一步解释，建设江门中微子实验装置主要有两个目标，“一个是测中微子的质量顺序，谁能最先测出，谁就将成为最先揭开中微子奥秘的人；另一个是要推进我国尖端技术发展，使光电倍增管、有机玻璃、传感器等技术和工业制造领域冲到国际先进水平。”

如今，在开平金鸡镇打石山地下700米的实验室大厅内，一个巨大的球形探测器已经基本建成：一个巨大的球状不锈钢网架，被牢牢固定在直径43.5米、深44米的圆柱形“水桶”里，数十名工人正在专用的工作平台上，小心翼翼地进行安装收尾工作。

中国科学院高能物理研究所高级工程师钱小辉介绍，实验室的位置距离其正上方的山顶有700米距离。“如果把广州地标‘小蛮腰’放进地下，塔尖离山体表面还有100米。”为什么要建这么深？“由于地面上有很强的宇宙射线，会干扰对中微子的探测。700米的山体和岩层就相当于过滤器，可将宇宙射线的强度大幅降低，让我们得到纯净的中微子信号。”钱小辉解释。

从上空俯瞰，江门中微子实验装置的主体就像一只泡在水中的西瓜，整个球体构成了世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。钱小辉介绍，探测器最外侧是一个国内最大的单体不锈钢结构，整个不锈钢网架由12万套高强螺栓固定。不锈钢网架内部是世界最大的单体有机玻璃结构。江门中微子实验有机玻璃安装项目经理、江苏汤臣新材料科技有限公司总工程师张高峰介绍，目前玻璃球的安装已经进入尾声。

除了有机玻璃球，想捕捉“中微子”信号，项目还要依靠一个重要装置——光电倍增管。钱小辉介绍，超过4.5万个光电倍增管正在加紧安装中。“它相当于实验的‘眼睛’，密布在不锈钢网架内侧，面朝有机玻璃球，时刻‘盯紧’玻璃球里面发出的光信号，将中微子被俘获时发出的光信号转换成电信号，并放大1000万倍，从而获取到其能量、位置等信息，交由计算机分析处理。”

在未来几个月内，有机玻璃球、光电倍增管将全部完成安装。届时，科学家就可以通过球体顶端设计好的“烟囱”，给玻璃球内灌满2万吨可以让中微子“现身”的液体，并在玻璃球外的“大桶”里灌满3.5万吨超纯净水，用来屏蔽岩石放射性以及甄别宇宙线引起的假中微子信号。

这也意味着，江门中微子实验正式运行取数将进入倒计时。人类成功捕获“幽灵粒子”，也将从梦想走向现实。

据《南方日报》

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