12层楼高的水晶球逼幽灵粒子现身

两座核电站之间，700多米深的花岗岩下，正开掘一个巨大的空洞，容纳一个12层楼高的水晶球。这个水晶球，将浸泡在一个灌有3万吨纯净水的池里，被钢架栓牢。圆柱体的水池，直径43.5米，深44米。水池上方是各种测量设施。
中科院高能物理所供图

本报记者 高 博

    两座核电站之间，700多米深的花岗岩下，正开掘一个巨大的空洞，容纳一个12层楼高的“水晶球”。来自球中的一次次闪烁，将吐露中微子的身世秘密。

    位于广东的正在建设的江门中微子实验装置，是中国前所未有的最复杂的高能物理实验装置。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。

    世界最大的有机玻璃球

    中微子被称为幽灵粒子，为侦测它，人类不得不大费周章。如今，江门地下中微子实验观测站（JUNO）被物理学家寄予厚望：精确地测量中微子的一些基本特性。

    宇宙里到处都是中微子。每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。中微子很难跟其他物质反应，穿行宇宙如入无物之阵。现代的中微子实验都会用巨量的靶物质作为陷阱，提高捕获中微子的几率。

    JUNO的核心，是一个直径35.4米，厚12厘米的空心有机玻璃球。造这么大，是因为里面要灌上2万吨的液体（叫做液闪）作为靶物质。

    这是人类造过的最大的有机玻璃球。中科院高能物理所所长王贻芳曾告诉科技日报记者，目前世界上用于粒子物理的有机玻璃球，比它小20倍；水族馆的有机玻璃水箱也比它小得多。

    这个水晶球的意义，是用透明的介质，分开里面的液闪和外面的水。中科院高能物理所研究员曹俊说，这个有机玻璃球必须非常透明，同时结实。

    “12层高的空球，就像房子一样可能垮塌。其他材料造不出来，用有机玻璃也很难。因为有机玻璃很容易裂。”曹俊说，“没有造这种球的国家标准。我们自己建造了一个力学实验室，自己做出一套标准。”

    这个水晶球的准备工作已经就绪。当实验大厅开掘完毕后，它将在现场搭建, 因为几十米的球无法通过隧道。

    最大的地下人工洞穴

    JUNO的前辈是大亚湾中微子实验装置。它们都利用了核裂变反应释放的海量中微子。不同的是，大亚湾侦测的是一个核电站的中微子；而JUNO则同时利用两个核电站，10个反应堆的中微子。

    位于广东的阳江核电站将建6个反应堆，台山核电站将建4个反应堆。JUNO距离两者都是53公里。

    曹俊告诉记者，如探测器到多个反应堆的距离不相等，中微子能谱上的小结构就会互相抵消（就像正弦信号的波峰波谷会抵消）。根据计算，应在距离两个核电站均为53公里的一个宽200米长2公里的矩形区域设置探测器。

    53公里很远，从反应堆来的中微子流会变弱。所以，JUNO与大亚湾探测器相比，靶物质增重一千倍。JUNO的大玻璃球，将浸泡在一个灌有3万吨纯净水的池里，被钢架栓牢（以克服3000吨的浮力）。圆柱体的水池，直径43.5米，深44米。水池上方是各种测量设施。

    容纳这一切需要一个直径50米、高70米的巨型大厅。JUNO被设计在700多米的花岗岩山体下，以屏蔽宇宙射线干扰。

    为此，JUNO正在山里凿出国内最大的地下洞穴。这也带来了很多麻烦，打隧道和开挖大厅，都碰上了涌水，这使土建工程出现延期问题。项目组一边灌浆堵水，一边抽水。他们不敢全部堵住出水点，避免洞穴外围承压太大带来垮塌风险。

    精心调配的液体

    中微子是这样被侦测到的：一个中微子撞上了一个质子，就化为一个中子和一个正电子。正电子随即湮灭放出一道光。中子则加入某个原子核，不稳定的原子核很快分裂并放出γ光子。因此，一先一后两道光，就是中微子碰撞的迹象。

    科学家制备液闪，要它具备三个性质：质子特别多（创造机会让中微子撞）；特别透明（微光能射出去）；尽量不带放射性（避免发出没用的信号）。

    大亚湾实验中，中国科学家调配出了当时世界上最好的液闪。而在JUNO，他们改进了配方，液闪质量达到了新高。

    这种液闪主体是烷基苯，加上一些特殊的配料。它比纯净的游泳池还要透明得多，光线穿过几十米，衰减不大。

    曹俊说，为降低液体天然的放射性杂质（比如气态的氩、氪、氡，或固态的铀），要通过三氧化二铝过滤、减压蒸馏、水萃取、蒸汽剥离一系列工序，相当于把几万吨的液体“洗一遍、蒸一遍”。

    实际上，JUNO的有机玻璃球材料，以及其他各种器材的材料，也要经过处理以消除放射性。

    看到微光

    JUNO在测量中微子的同时，也会接收到大量的无用信号。水池和水池顶部的一些探测器，就是用来专门探测宇宙射线，以将相关信号排除出去。

    曹俊介绍说， 2万吨液闪每天只能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子、以及90个太阳中微子。与之相比，尽管山体遮挡让宇宙射线强度降低20万倍，宇宙射线干扰信号每天仍有10万次。

    JUNO装了四万多只世界上最灵敏的眼睛——18000个20英寸的和26000个3英寸的光电倍增管。光电倍增管可以将微弱的光转化为电信号。由于JUNO要求极高的能量分辨率，之前的商业产品达不到标准。为此国内几家企业和研究所联合攻关，已经研制出探测效率世界最高而且便宜的产品。

    光电倍增管外形像大灯泡，内部是真空的，多年泡在水池里是有风险的。科学家考虑到：如果某个“灯泡”裂一点缝，水瞬间吸入真空，在空间中心反弹，会形成激波。这种波破坏力极大，会引发连锁反应，毁掉其他的光电倍增管。

    为此，他们给光电倍增管特制了一种保护罩，即使受损，水也不会急速涌入形成激波。

    “解决这些问题，喜欢物理的科学家可能觉得不那么好玩，比较繁琐。但要做出比较重要的科学成就，必须要承担这些麻烦。”曹俊说。

    在粒子物理标准模型中，中微子是没有质量的，而中微子振荡表明它具有质量，这是一个超出标准模型的实验现象（暗物质是另一个标准模型无法解释的谜题）。所以中微子研究是现有理论的一个突破口。

    JUNO可能在2021年试运行。它将以相当高的确信度，回答至关重要的“中微子质量顺序”的问题，并精确测量多个中微子参数，为物理学大厦添上重要的一块砖。