探秘地下700米的中微子实验室

发布时间：2025-07-08 01:42:05 来源：飞声腾实网 作者：探索

8月的探秘一天，广东江门开平市金鸡镇，地下斜井缆车在幽闭的中微隧道中行进，约15分钟后，实验室新京报记者从地面到达了地下700多米处的探秘井底。没有想象中那么凉爽，地下这里的中微岩石温度达到31℃，空气闷热高湿。实验室

换上洁净衣、探秘在风淋室吹淋后，地下通往实验大厅的中微大门缓缓开启，随着一座巨型钢架矗立在眼前，实验室大科学装置——江门中微子实验装置露出了宏大精致的探秘外观。未来，地下它将为基本粒子世界中的中微“隐士”——中微子测量质量顺序，窥探宇宙的奥妙。

“幽灵粒子”中微子

我们的身体，每秒钟有亿万个中微子穿过，但人们从未感受过它们的“亲密接触”。

构成物质世界的12种基本粒子中，包括3种中微子（电子中微子、缪中微子和陶中微子），其质量非常轻，小于电子的百万分之一，以接近光速运动。

宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，每立方厘米约有300个。中微子无处不在，恒星内部的核反应、超新星的爆发、核反应堆的运行，以至于岩石中的放射性物质衰变，都产生大量中微子。

但是，由于中微子与普通物质的相互作用很弱，它们可以轻松穿过人体、建筑甚至整个地球而不被任何物质吸收，不容易被检测到。因此，无所不在的中微子是基本粒子中人类了解最少的一种，被称为“幽灵粒子”。直到1956年，美国科学家才首次从实验中发现中微子。

中微子研究是国际粒子物理研究的热点。1998年日本超级神冈实验和2001年加拿大SNO实验证明了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量，对粒子物理、天体物理与宇宙学具有重大影响，因而被授予2015年诺贝尔物理学奖。

“接棒”大亚湾实验

日本与加拿大的科学家发现已知三种中微子之间的两种相互转化现象（振荡），标志着中微子具有不为零的质量，预示着必定存在超出当前粒子物理标准模型的新物理现象。

原则上，三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。然而，第三种中微子振荡模式一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。

2003年，中国科学院高能物理研究所（以下简称中科院高能所）的科研人员提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，寻找中微子的第三种振荡模式，并精确测量该振荡的几率。

经过8年的酝酿和建设，2011年12月，位于深圳市大亚湾核电站北部山地地下的大亚湾中微子实验探测器开始运行取数。大亚湾核反应堆每秒钟产生35万亿亿个中微子，为实验提供了丰富的中微子源。同时这里紧邻高山，可以为地下实验室屏蔽宇宙射线干扰。

2012年3月，大亚湾国际合作组宣布首次探测到中微子的第三种振荡模式，并以前所未有的精度，测得其振荡大小为0.092，误差为0.017，无振荡的可能性仅为千万分之一。这一实验成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破，并获得2016年度国家自然科学一等奖。

完成了科学使命后，我国第一代中微子实验装置——运行了9年的大亚湾核反应堆中微子实验于2020年12月退役。

大亚湾实验的成果，对精确部署未来中微子实验具有重要的指导意义，国际上立刻启动了多个中微子实验。“中微子质量顺序”成了中微子实验研究的下一个重大问题，国际竞争激烈。在我国，“接棒”大亚湾实验的江门中微子实验（JUNO）登场，和正在建设的日本顶级神冈实验、美国的深层地下中微子实验（DUNE）展开“竞赛”。

为何选址金鸡镇？

江门中微子实验位于广东省江门开平市金鸡镇，2015年开始建设，计划2023年建成。在地图上连线，这里和阳江核电站、台山核电站可以画出一个“等腰三角形”。核电站发电会产生大量中微子，物理灵敏度分析表明，实验室需距离反应堆50-55公里，实验室的选址，正好和两个核电站皆相距53公里。

“如果只有一个核电站，实验的造价要提高一倍。”中科院高能所所长王贻芳曾是大亚湾实验中方负责人，他解释说，在同样距离下，探测到的中微子数正比于反应堆放出的中微子数量以及探测器的靶质量。若反应堆减少，则探测器就要增大，从而提高实验造价。

同时，日常环境中存在大量的宇宙射线，它们在探测器中产生的信号将比中微子信号多上亿倍。因此，中微子探测器还需要放在很深的地下，金鸡镇环绕的群山和花岗岩可以起到“屏蔽”宇宙射线的作用。

“变形金刚塔”与“钢铁铠甲”

8月，新京报记者走进江门中微子实验室，在井口乘坐缆车，顺着与水平方向呈23度角的轨道向地下700米驶进，开启了“地壳探险”。

悠长深邃的斜井中管道密布，作业的风机在呼呼作响。约15分钟后，缆车到达了井底，这里的岩石温度达到31℃，空气闷热，地面湿滑。步行向下走了几百米，汗流浃背的记者终于来到地下实验大厅的门口。

进入洁净间之前，所有人需要穿上洁净衣、罩住头发、戴上手套和鞋套、经过风淋室吹淋。风淋室的大门向上开启，像置身于科幻电影中一样，一个巨大的钢球和一个通天钢塔矗立在记者眼前。

“我们正处在一个巨大坑洞的坑底，实验大厅高71米，跨度达49.5米，是目前国内跨度最大的地下洞室，内有44米深的水池。”现场从事基建工作的阎良平说，地下大厅没有一根立柱支撑，为了防止塌陷，穹顶和洞室四周布满锚索，锚索深深扎入岩体，像拧紧的螺栓一样对岩石施加预应力，将岩石牢牢固定住。

未来，江门中微子实验的中心探测器——球形液体闪烁体探测器将浸泡在地下实验大厅内44米深的水池中央，它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球，以及2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

颇具美感的巨大“钢球”，就是中心探测器的主支撑结构——不锈钢网壳，它为其内部与之间隔2米的有机玻璃球穿上了“钢铁铠甲”。液压升降平台可谓“变形金刚塔”，它的直径和高度逐层可变，全程服役于有机玻璃球的安装。

最大的玻璃球

实验探测器的研制有三个技术挑战，其一就是研制世界上最大的有机玻璃容器。

在大钢球内，有机玻璃球的安装刚刚开始。工程人员揭开覆盖物，晶莹剔透的玻璃板露出光彩。“这是目前已知的最干净、透明的有机玻璃，肉眼就能明显看出它和普通有机玻璃的区别。”王贻芳流露出自豪的神情，他说，为了达到透明度的指标，生产厂家新建了生产线，对各种材料成分进行了改进，生产工具、模具也进行了特殊的处理。

有机玻璃球厚12厘米，但对于直径35.4米的玻璃球来说，12厘米薄如蛋壳。科研人员准备了265块球形有机玻璃板，最大的一块9米长、3米宽，它们将被分层逐一粘接，拼成玻璃球。粘接材料不是普通的胶水，而是有机玻璃本体材料。

此前，国际上最大的有机玻璃球直径12米，用于加拿大SNO中微子探测实验，但现场建造的过程中出现过开裂，经过反复修补，两年才完成。此次江门中微子实验的有机玻璃球直径达35.4米，面积相当于国外的10倍，要求工期却只有10个月。“我们的实验要跟国际上其他实验竞争，不能慢了。”江门中微子实验项目总工程师马骁妍说。

尺寸大、精度高，是有机玻璃球研制的最大难点。前期设计上，科研团队集结了国内高校和科研单位力量，不断优化方案。在生产制造环节，“我们考察了大量厂家，和3个候选厂家一起做了两年的预研工作。一方面考察厂家的生产制造实力，一方面考察他们的科研素养。”马骁妍说，有机玻璃生产企业以往做的大多是海洋馆项目，就算使用过程中出现一些问题，一般都可以提前观察到并及时进行处理，但探测器未来将在封闭的水池中运行30年，没有机会进行修复，不容有失。为此，科研人员用小的玻璃样块，不同种类的模型，反复试验。

玻璃板在工厂生产时，要经过板材浇筑、烘弯、加工、聚合、退火、打磨抛光、清洁、贴膜等多道复杂工序，来到现场还要再吊装、拼装、测量、聚合、退火以及拼接缝处的打磨、抛光、清洁、贴膜等。目前玻璃板正从上往下逐层安装，可以最大程度避免落物对有机玻璃造成损坏。仅玻璃球的安装方案，科研团队就讨论了三年。

最透明的液闪

未来在水池中，有机玻璃球内外会先同时注满最纯净的水，灌装过程使其内外压力保持平衡。此后，科研人员会将球内的水用置换的方法换成2万吨液体闪烁体（液闪），液闪将和光电倍增管共同探测中微子被“俘获”时产生的闪烁光。

世界上最透明的液体闪烁体，是探测器研制的第二个难关。

“液闪的衰减长度大于20米。”江门中微子实验项目液闪纯化子系统负责人蔡啸解释说，光在经过一段距离后会逐渐衰减，当其强度变成原来的1/e（约为0.37）时，这段距离就叫衰减长度。中微子被“俘获”时产生的闪烁光本身就很弱，如果液闪不够透明，衰减长度比较短，闪烁光将在传输过程中变得更弱，更难被光电倍增管探测到。

他进一步解释说，从光学性能讲，评价液闪透明度的关键指标是衰减长度。同时，从放射性角度讲，液闪中的放射性杂质去除得越干净越好。“我们要求放射性铀的含量是10的负17次方。”

如何将液闪变得更透明？蔡啸带记者来到了液闪纯化大厅，对四套纯化设备进行一一介绍。液体闪烁体最主要的材料是烷基苯，这种透明的油状液体是制作洗涤剂的原材料。通过管道运抵大厅的特制烷基苯，出厂时衰减长度已高达15米到20米。之后，科研人员要将烷基苯通过填满氧化铝粉末的吸附柱，进行光学纯化；再对烷基苯进行蒸馏纯化，降低其放射性本底。此时，烷基苯成为“溶剂”，科研人员会将两种粉末状的发光物质倒入其中搅拌，混制配成高浓度的液闪。

至此，纯化过程仅仅完成了地上的两个步骤，接下来将转入地下。液闪将通过管路输送到地下的纯化装置，经过水萃取、气体剥离等工序，进一步去除液闪中的铀、钍、钾、氡等放射性元素，最终液闪的衰减长度可以达到20米以上。2万吨液闪中，灰尘总量不能超过0.008克。

江门中微子实验的液闪纯净度，比大亚湾实验提高了1000倍以上。蔡啸说，以上种种复杂的纯化工序，在大亚湾中微子实验时都没有使用到。此次科研人员进行了5年多的实验，设计并研制了设备，改进了工艺。

最灵敏的“黄金瞳”

钢球内壁，密密麻麻地排满了2万只20英寸光电倍增管。这些椭圆形的“黄金瞳”像探测器的眼睛，将捕捉液体闪烁体发出的闪烁光，将其转变成电信号记录下来，再分析是不是由中微子发出的。

探测器研制最难的一道关，就是世界上探测效率最高的光电倍增管。

在江门中微子实验之前，20英寸光电倍增管的生产被日本滨松公司垄断。徐美杭是中科院高能所实验物理中心光电倍增管测试与防护系统的骨干。她说：“当时一只管加上后面的防水封装，市场价大概是5万元，滨松公司知道我们正在研制后，将裸管的报价降到了3.3万元。”

“核心关键技术设备的自主可控，对实现基础科学研究的目标是极其重要的。我们不仅要做到国产化，还要将指标做到国际领先。”王贻芳说，经过无数次的实验探索和联合攻关，2020年，1.5万只国产光电倍增管全部出厂并通过验收。此次国产光电倍增管探测效率大于30%，相比之下，日本滨松光电倍增管的效率也只达到28.5%。

光电倍增管需要在水里工作，所以必须进行防水封装。防水封装的难点在于，其失败率要求非常苛刻——六年的失败率不能超过0.5%。也就是6年里，200只光电倍增管中只能有1只因漏水而损坏。而此前，国际上其他中微子实验的这一数字通常为5%以上。

光电倍增管防护还有另一个必须关注的问题——防止在水中产生链式爆炸。由于光电倍增管内部是真空，一旦一个发生爆炸，水下冲击波会导致一连串光电倍增管爆炸，像被点燃的鞭炮一样，被称为“殉爆”。2001年，日本超级神冈实验注水时，就发生过这样的灾难性事故，损失了8000多只光电倍增管。“为了防止殉爆的发生，我们给每个光电倍增管都加装了由有机玻璃和不锈钢组成的防护罩。”徐美杭说。

江门中微子实验室的“小目标”

所有设备就位后，浸泡着探测器的水池将注满高纯水，以屏蔽中微子之外的其他物质。明年夏天，水池上方将用氮气封住，并盖上“黑盖子”，将光和空气隔绝。江门中微子实验设计寿命是30年，盖子再度开启，要等到30年后。

目前国际上共有三个大型中微子实验。王贻芳说，中国的江门中微子实验、日本顶级神冈实验、美国DUNE实验的科学目标有相似的地方，包括中微子质量测序等，“但我们将比他们早4-5年”。

研究中微子对理解宇宙演化具有很重要的意义。“中微子质量的大小和每个人都有关系，如果其质量为0，宇宙中的密度涨落不会存在，宇宙可能是平静、死寂的，没有星系、银河系、太阳和我们”。

同时，中微子是研究天体和地球内部的探针，将在检验超新星爆发机制、验证地球物理模型、研究太阳物理等方面发挥关键作用。江门中微子实验预计每天能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子以及上千个太阳中微子。

超新星对于宇宙的演化非常重要。据王贻芳介绍，超新星爆发后，其能量的99%以上是由中微子发出的。1987年，日本物理学家小柴昌俊成功观测到10个超新星爆发时的中微子，由此获得了2002年诺贝尔物理学奖。截至目前，人类总共才看到20个超新星爆发中微子。如果类似的近距离有超新星再爆发一次，几秒之内，江门中微子实验就可以看到5000个超新星爆发中微子。

根据理论计算，在银河系中，每100年有2次左右的超新星爆发。但目前，人类已经有400年没有观测到银河系内的超新星爆发。他希望，江门中微子实验在“有生之年”可以赶上一次。

同时，宇宙中还存在大量超新星遗迹中微子，是以往超新星爆发产生的。“理论上有，但目前没有人看到过。我们希望实验可以首次看到超新星遗迹中微子，这对我们理解超新星爆发的模型、能谱和整个过程非常重要。”

王贻芳称，实验运行的10年内，随着数据量不断积累，将解决中微子质量测序问题，下一步，实验将探索无中微子双β衰变问题。

2023年，江门中微子实验将完成建设，逐步开始取数。届时，世界将为之瞩目，期待它带来新的发现。

A08-A09版采写/新京报记者 张璐

相关文章