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消息：中國建造超大玻璃球求解“幽靈粒子”之謎

2019-12-27 10:24:31來源：新華社

　　JUNO探測器示意圖

。（中科院高能所供圖）在一個12層樓高的玻璃球里注入透明液體

，中國科學家打算造一個全世界最大的水晶球來捕捉宇宙中...

　　JUNO探測器示意圖

。（中科院高能所供圖）

在一個12層樓高的玻璃球里注入透明液體

，中國科學家打算造一個全世界最大的“水晶球”來捕捉宇宙中的“幽靈粒子”——中微子，從而找到通向物理新世界的大門

。

他們將把一個直徑達35.4米的有機玻璃球安裝在廣東省江門市西南部的打石山中

。施工人員已經(jīng)在700多米深的花崗巖下方挖出一個空洞

，作為未來的實驗大廳

。

“我們一直在不停地抽排地下水。現(xiàn)在

，水位已明顯降低

，相信很快就能排干凈。”江門中微子實驗發(fā)言人

、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳近期介紹項目進展時說

。

江門中微子實驗(JUNO)于2015年1月開工建設

。若順利

，明年年中，施工人員將開始在地下實驗廳中組裝巨大的球形探測器

。

這是中國最復雜的高能物理實驗裝置

，預計2022年建成。與當前最好的國際同類設備相比

，它的規(guī)模要大20倍，精度提高近一倍

。

JUNO規(guī)劃圖

。(中科院高能所供圖)

“幽靈粒子”

中微子是組成自然界的一種基本粒子，在宇宙中廣泛存在

。大多數(shù)粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產(chǎn)生

，例如太陽發(fā)光、超新星爆發(fā)

、宇宙射線

、核反應堆發(fā)電等。

中微子也是目前最神秘的粒子之一

。它們不帶電

，質(zhì)量極小，幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用

。它們?nèi)缬撵`一般穿透地球

，來無影去無蹤，每秒鐘就有3億億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體

。

正因為中微子不會像光子、電子一樣

，與其他粒子相互作用

，它們所攜帶的關于恒星、黑洞乃至整個宇宙的“核心秘密”

，吸引著好奇的人類

。

它們可以直接穿過劇烈“燃燒”的恒星內(nèi)部而不被吞噬，成為人類了解恒星中心核反應過程的媒介;它們在宇宙誕生之初就已存在

，且不像光子在宇宙大爆炸38萬年之后才結束和其他粒子相互作用開始傳播，所以也是研究宇宙最早期歷史的載體

。

上世紀50年代

，科學家首次觀測到中微子的存在，后來又發(fā)現(xiàn)中微子其實有三種

，分別是電子中微子、μ中微子

、τ中微子，它們在飛行時可以“一人分飾三角”

，在三種類別之間相互轉(zhuǎn)化

，這也被稱作中微子振蕩。

在這個領域

，中國是后來者

，但做出了重要貢獻。2012年

，大亞灣中微子實驗室宣布發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式

，成為中微子研究的一個重要里程碑

。

但是

，中微子仍有太多未解之謎

。江門中微子實驗副發(fā)言人、中科院高能物理所研究員曹俊指出

，中微子很難探測

，很多實驗研究進展有限，就是因為捕捉到的中微子信號太少

，數(shù)據(jù)太少。

JUNO地理位置

。(中科院高能所供圖)

超級玻璃球

探測中微子

，一種辦法是通過液體閃爍體探測器來捕捉它們產(chǎn)生的信號。

科研人員在有機玻璃球里注入透明的特制液體——液體閃爍體(簡稱“液閃”)

，當中微子穿過球體時

，會有一定的幾率和液體里密布的氫核發(fā)生反應。每一次反應產(chǎn)生一個正電子和一個中子

，正電子隨即湮滅釋放出一個快信號，中子則在反復碰撞后被其他氫核吸收并釋放出一個慢信號

。一前一后兩次閃爍

，就透露了中微子的行蹤。

為了提高探測靈敏度

，JUNO的選址經(jīng)過精心測算

。實驗室建在地下，以屏蔽宇宙射線的干擾;距離陽江核電站和臺山核電站都是53公里

，可以同時利用兩者釋放的海量中微子，并畫出更精細的中微子能譜圖

。

但是

，較長的距離也會造成中微子流的“稀釋”，就好比放煙花

，火花四散

，越往外密度越低。JUNO比目前世界上最大的中微子液閃探測器——日本的KamLAND探測器還要大20倍

，后者注入了1000噸液閃，而JUNO要容納兩萬噸液閃

，才能盡可能多地“俘獲”中微子

。

“探測器越大，捕捉到的信號就越多，數(shù)據(jù)量就越大

，就越能看到別人所看不到的

。”曹俊說。

根據(jù)設計方案

，JUNO會由265塊有機玻璃板現(xiàn)場組裝而成

，并被鋼架固定在一個裝有約4萬噸純凈水的大池中

。

這么大的玻璃球

，給工程建設帶來了挑戰(zhàn)。江門中微子實驗項目組先后請來幾個知名力學團隊幫忙設計

，并搭建了專門實驗室

，測試有機玻璃的力學性能和老化情況，還造了一個直徑3米的小球來驗證計算和測試是否準確

。

“經(jīng)過實驗證明無誤后

，我們才把這套算法用來設計大的探測器

。我們要確保它能運行30年

。”曹俊說。

為確保12層樓高大球的設計安全無誤

，科研人員先造出直徑3米的小球

，進行模擬實驗。圖為小球模型吊裝

。(中科院高能所供圖)

“捕獲”微光

僅僅把探測器造很大

，還不夠

。中微子引發(fā)的閃爍非常微弱

，肉眼無法看到?div id="jfovm50" class="index-wrap">？蒲腥藛T還要調(diào)配出極其透明的液閃

，并在玻璃球外安裝數(shù)萬個光電倍增管，才能讓微光“顯形”

。

液閃主體為烷基苯，是洗衣粉的原材料

。“我們在南京找到了符合條件的廠家，生產(chǎn)出特制的液體

，直接導入罐裝車

，運往南方的實驗室。”曹俊說。

在注入玻璃球前

，為了清除運輸過程帶來的污染

，科研人員還要把液體又“洗”又“蒸”：用三氧化二鋁過濾，吸附雜質(zhì);蒸餾

，去除光學干擾和天然放射性;往液體里加兩種發(fā)光物質(zhì)，再用超純水洗一遍;最后

，進行蒸汽剝離和水萃取

。

“這可以說是世界上最透明的液體，多么微弱的光都可以透過

。”曹俊說

。

穿過液閃的光子，隨即會被密布在球外的2萬個20英寸光電倍增管和2萬5千個3英寸光電倍增管“捕獲”

。這些光電倍增管就像一只只凸起的眼睛

，可以看到任何信號微瀾

。

科研人員正在測試光電倍增管性能

。(中科院高能所供圖)

20英寸光電倍增管制造難度很大，其中15000個由國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)

。“最初

，JUNO打算全部從國外采購，但當時只有日本一家公司生產(chǎn)

，光這一項就要花費整個項目40%的經(jīng)費

，而且信號收集效率也達不到要求

。于是

，我們決定自主研發(fā)。”JUNO光電器件性能標定實驗室的朱瑤回憶說

。

從2009年成立至今

，朱瑤所在的實驗室奮斗了10年，鉆研出一套和國外產(chǎn)品完全不同的技術方案

。

“光子進入光電倍增管

，會被轉(zhuǎn)化成電子，經(jīng)過微通道板多次倍增后

，一個電子可以變成一千萬個電子，信號就被放大了

。我們研發(fā)的微通道板

，是將一根根直徑約6微米

、細如發(fā)絲的玻璃管擠壓在一起，然后切片

，不僅倍增效果好

，收集效率高，還使生產(chǎn)成本降低了一半

。”朱瑤說

。

未來

，這些被放大的光電信號或許可以幫助科學家解開一個重要的謎題——中微子的質(zhì)量順序

，即三種中微子哪個最重。

“中微子的質(zhì)量順序是自然界的基本參數(shù)之一

，影響宇宙的演化進程

。知道了質(zhì)量順序，可以為其他研究鋪路

。”曹俊說

，“理論家一直試圖建立統(tǒng)轄宇宙萬物的大統(tǒng)一理論，質(zhì)量順序是檢驗這些理論是否正確的鑰匙

。”

責任編輯：孫知兵

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