江門中微子實驗：地下700米的神秘粒子“捕手”
中微子，是構成物質世界的基本粒子之一，也是宇宙中最常見的粒子。其最大的特點是與物質的相互作用極爲微弱，因此具有極強的穿透力，可以輕鬆穿過人體、地面、地球甚至是太陽。同時它的質量非常輕，以接近光速運動。圍繞中微子，有大量謎團尚未解開，包括它的質量大小和起源、質量順序、是否造成宇宙中物質與反物質的不對稱等。中微子研究有望發現超出標準模型的新物理，對研究宇宙演化、恆星形成、超新星爆發機制等有重要意義。自1956年首次被證實存在以來，中微子領域研究已經獲得4次諾貝爾獎。但“捕捉”中微子，很難!如何擁有更大、更先進的探測器從而獲取更精確的數據，是中微子研究的重點。
從大亞灣到江門
2003年，中國科學院高能物理研究所科研人員提出設想——利用我國大亞灣核反應堆羣產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振盪模式。中微子可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，通常稱爲中微子振盪。這證明了中微子有質量。
2007年，大亞灣反應堆中微子實驗站動工建設。它的主體由地面控制室和地下5個實驗室組成。地面距地下實驗室的垂直距離最深可達320米。2011年年底，大亞灣反應堆中微子實驗提前以6個探測器開始運行。2012年3月8日，時任中國科學院高能物理研究所所長的王貽芳宣佈：大亞灣反應堆中微子實驗發現了一種新的中微子振盪，並測量到其振盪機率。該發現是對自然界最基本的物理參數的測量，被認爲是對物質世界基本規律的新認識。此後，大亞灣反應堆中微子實驗繼續高質量運行，獲得豐碩成果。其中，中微子振盪振幅的測量精度從2012年的20%提高到了2.8%。
2020年年底，大亞灣反應堆中微子實驗裝置正式退役。作爲我國第一代中微子實驗裝置，它還取得了“精確測量反應堆中微子能譜”“給出低質量區惰性中微子最好的限制”等多項世界領先的科研成果。
如今，我國新一代大型中微子實驗裝置——江門中微子實驗正在緊張建設中。
2024年10月10日，秋高氣爽時節，記者來到廣東江門中微子實驗室。映入眼簾的是一幢幢白色建築，錯落有致地排列在一片平地上，四周青山環抱。來到豎井口，進入罐籠，伴隨着鏈條的咔咔聲，罐籠下降了約有5分鐘，來到位於地下700米的實驗大廳。
爲什麼選擇在廣東江門進行新一代中微子實驗？王貽芳介紹，江門中微子實驗(JUNO)以確定中微子質量順序爲首要科學目標，通過測量反應堆中微子振盪來完成。反應堆熱功率越大，釋放的中微子數目就越多，實驗精度就越高。實驗站應距反應堆50至55公里，對應振盪的極大值；到各個反應堆的距離必須相等，否則振盪效應會相互抵消。江門開平市附近區域正好符合這些苛刻條件，包括周圍有廣東陽江和台山反應堆羣，對測量質量順序有效的總功率世界最高，也能找到跟所有反應堆距離基本相等的點。經過科學分析，允許的實驗站範圍在距兩個核電站50至55公里、寬爲200米的區域內，在此位置測量中微子質量順序的靈敏度最高。“能選到如此合適的位置，還是非常幸運的。”王貽芳說。
爲什麼核心探測設備要建在700米的地下？中國科學院高能物理研究所所長曹俊介紹，宇宙線會使中微子探測設備出現假信號，建在地下可以屏蔽大部分宇宙線干擾，因此幾乎所有的中微子實驗都在地下進行。
在地下700米的深處建設如此大的工程，其困難程度可想而知。
據介紹，江門中微子實驗2013年立項，2015年開工建設地下洞室。該洞室是國內拱頂跨度最大的地下洞室，頂部起拱跨度達49.5米。“洞室建設中我們遇到了很多難題，其中一個困難是巖體富水性強，出渣和排水困難，工程建設難度極大。”王貽芳說。
面對超大跨度洞室圍巖變形控制、富水條件安全高效施工等世界級工程難題，建設單位、施工單位等組成技術攻關團隊，開展大量技術研究並確定合理施工方案，最終地下洞室於2021年年底順利交付使用。
深藏地下700米的有機玻璃球
從罐籠出來，記者來到實驗大廳門口。在做好一系列防塵處理後，實驗大廳的門緩緩打開，向前幾步，眼前出現了一個巨大的白色球體，坐落在圓柱形的水池中。“這是江門中微子實驗的核心探測設備——中心探測器。”曹俊介紹，中心探測器位於地下實驗大廳內44米深的水池中央，直徑41.1米的不鏽鋼網殼是探測器的主支撐結構，承載直徑35.4米的有機玻璃球、2萬噸液體閃爍體(以下簡稱“液閃”)、2萬個20英寸光電倍增管、2.5萬個3英寸光電倍增管，以及前端電子學、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多探測器部件。探測器運行時，水池中還要注入3.5萬噸超純水。
江門中微子實驗有機玻璃球由263塊12釐米厚的烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，有機玻璃淨重約600噸，是世界最大的單體有機玻璃球。“相比其35.4米的直徑，12釐米厚的有機玻璃球壁按比例換算，就好像雞蛋殼一樣薄。”曹俊介紹，爲了提高實驗的靈敏度和準確性，有機玻璃板材生產採用了獨特配方和工藝，其天然放射性本底鈾和釷的質量佔比小於一萬億分之一，以保證其高透光率和低本底的特點；爲防止氡及其衰變子體污染有機玻璃，拼接有機玻璃球時表面需要用膜材料和帶有水溶膠的紙進行保護，可在建設結束後順利取下；有機玻璃有老化現象，球體表面容易產生裂紋，研發團隊通過多種方法降低老化速度，保證探測器安全運行；探測器建成後，有機玻璃球內部將是2萬噸液閃，外部是3.5萬噸超純水，球體內外壓力不同，這對有機玻璃球的拼接工藝提出了很高要求。
2萬噸液閃、600噸有機玻璃，再加上其他設備，這麼重的重量，如何才能平穩地立起來？這需要不鏽鋼網殼的支撐。不鏽鋼網殼由預製的H型鋼通過12萬套高強螺栓拼接而成，是目前國內最大的單體不鏽鋼主結構。“我們在不鏽鋼網殼設計過程中獲得了多項技術發明專利，其中的鉚釘技術相關國家標準獲得批准併發布，填補了國內空白。”曹俊介紹。此外，探測器運行時有機玻璃球置於超純水中，需要長期承受約3000噸的浮力，這些力需要通過有機玻璃節點、連接杆和不鏽鋼節點傳遞到不鏽鋼網殼主結構上。經過反覆設計優化和上百次試驗，各節點都獲得超高承載能力。
中微子質量極小，速度極快，與物質的相互作用極爲微弱，中心探測器如何將其捕捉到呢？2萬噸的液閃起到了主要作用。當大量中微子穿過探測器時，極少的一部分會與液閃發生反應，發出極其微弱的閃爍光，被光電倍增管探測到，從而達到捕捉中微子的目的。“作爲探測中微子的靶靈敏物質，液閃的主要成分是烷基苯，是日常生活中洗手液、洗衣液的主要原料，但江門中微子實驗所用的液閃需要非常乾淨。”王貽芳說。此外，液閃還需要很高的光輸出、極好的透明度和極低的放射性本底，這些都給其製備帶來極高難度。
面對這些困難，江門中微子實驗液閃組在大量調研、實驗基礎上，研發出高潔淨度、高密封、高效率的純化系統。“通過氧化鋁系統、蒸餾系統、混制系統、水萃取系統和氣體剝離系統，我們去除了液閃中的放射性雜質、惰性氣體等，提高了透明度和光學性能。”曹俊介紹，目前液閃組已成功獲得光傳輸衰減長度大於20米的液閃，是世界最好水平，潔淨度達到了要求。
捕捉中微子的“天羅地網”
當中微子在液閃中發出微弱的光，密佈於不鏽鋼網殼內側的一隻只“眼睛”——光電倍增管便開始發揮作用。記者在現場看到還沒有安裝進中心探測器的光電倍增管，每個直徑足有半米長。這種20英寸的光電倍增管在中心探測器上要安裝2萬個，再加上2.5萬個3英寸光電倍增管，爲捕捉中微子佈下了“天羅地網”。
“光電倍增管是中微子探測器中最重要的部分，中微子信號就是通過光電倍增管探測出來，它們將中微子與液閃反應的光信號轉變爲電信號，並放大千萬倍，然後在計算機中進行具體分析和研究。”王貽芳介紹。這個國之重器的建設，客觀上帶動了我國光電倍增管行業的發展——國際上能生產相關光電倍增管的公司很少，不僅性能達不到要求，售價還特別高。因此，中國科學院高能物理研究所的科學家們啓動了光電倍增管的預研並積極推動國產化。他們發明了一種全新構型及電子放大方式的新型光電倍增管，在與相關企業合作後，最終研製出收集效率等關鍵技術指標達到國際領先水平的光電倍增管樣管，擁有完全自主知識產權，打破了該領域的國際壟斷。
構成光電倍增管的真空玻璃殼是一種典型的脆性材料，長時間工作在44米深的水池中，存在內爆風險。內爆產生的衝擊波有可能引爆周圍的光電倍增管，產生鏈式反應，最終損壞所有光電倍增管，甚至破壞探測器的主體結構——這類事故在國外就曾發生過。“爲此，我們研製了一套水下防爆系統，爲每一個光電倍增管加裝保護裝置。”曹俊指着旁邊的一個光電倍增管樣品介紹，該裝置前半部爲半橢球形的極透明有機玻璃罩，既能承受50米以上的水壓，又能適配光電倍增管最小25毫米的安裝間隙，同時實現了好於0.4毫米的精度和98%以上的水中透光率。後半部爲不鏽鋼保護罩和連接結構，既保證了強度，又對實驗的光信號無遮擋。該防爆系統可以有效減緩高壓水填充真空區域的速度，從而顯著減低衝擊波的強度，避免發生鏈式反應。
中微子不僅要捕捉得到，還要捕捉得準確，這需要反符合探測器將非中微子的信號排除掉。江門中微子實驗反符合系統負責人楊長根介紹，水池裡3.5萬噸的水需要在水淨化室進行純化，這些超純水可以用作宇宙線探測器，將宇宙線對中微子探測的干擾排除，也可作爲屏蔽層，屏蔽掉岩石中的天然放射性以及宇宙線在附近岩石中產生的大量次級粒子。此外，水池上方的徑跡探測器可以測量宇宙線的精確方向，更有效地排除錯誤信號，使中微子探測更精準。
目前，江門中微子實驗建設進入收官階段：最內層的有機玻璃球已合攏，外層的不鏽鋼網架和光電倍增管也在有序合攏中，預計11月底完成全部安裝任務，並啓動超純水、液閃的灌裝，2025年8月正式運行取數，預計運行約30年。王貽芳表示，江門中微子實驗有着豐富的科學目標，包括測量中微子的質量順序，精確測量三個中微子振盪參數，以及在2030年裝置升級後測量中微子的絕對質量，也將在太陽中微子、地球中微子等研究方面達到國際最好水平，並有望在超新星中微子、質子衰變等方面取得重大成果。
(記者 秦偉利)