斜井纜車在幽閉的隧道中行進(jìn)，15分鐘后，新京報記者從地面到達(dá)了地下700多米處的井底。沒有想象中那么涼爽，這里的巖石溫度達(dá)到31攝氏度，空氣悶熱高濕。
(資料圖)
換上潔凈衣、在風(fēng)淋室吹淋后，通往實(shí)驗(yàn)大廳的大門緩緩開啟，隨著一座巨型鋼架矗立在眼前，大科學(xué)裝置——江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置露出了宏大精致的外觀。未來，它將為基本粒子世界中的“隱士”——中微子測量質(zhì)量順序，窺探宇宙的奧妙。
“幽靈粒子”
我們的身體，每秒鐘有億萬個中微子穿過，但人們從未感受過它們的“親密接觸”。
中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子之三（電子中微子、繆中微子和陶中微子）。中微子的質(zhì)量非常輕，小于電子的百萬分之一，以接近光速運(yùn)動。
宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留，每立方厘米大約有300個。中微子無處不在，恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、超新星的爆發(fā)、核反應(yīng)堆的運(yùn)行，以至于巖石中的放射性物質(zhì)衰變，都產(chǎn)生大量中微子。
但是，由于中微子與普通物質(zhì)的相互作用很弱，它們可以輕松穿過人體、建筑甚至整個地球而不被任何物質(zhì)吸收，不容易被檢測到。因此，無所不在的中微子是基本粒子中人類了解最少的一種，被稱為“幽靈粒子”。直到1956年，美國科學(xué)家才首次從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子。
中微子研究是國際粒子物理研究的熱點(diǎn)，是唯一有超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新現(xiàn)象并取得重大突破的方向，也是粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)研究的交叉前沿。中微子物理研究領(lǐng)域的幾次重大突破都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
1998年日本超級神岡實(shí)驗(yàn)和2001年加拿大SNO實(shí)驗(yàn)證明了中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質(zhì)量，對粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)具有重大影響，因而被授予2015年諾貝爾物理學(xué)獎。
中微子研究簡史。中科院高能物理所供圖
大亞灣實(shí)驗(yàn)
日本與加拿大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已知三種中微子之間的兩種相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（振蕩），標(biāo)志著中微子具有不為零的質(zhì)量，預(yù)示著必定存在超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象。
原則上，三種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，應(yīng)該有三種模式。然而，第三種中微子振蕩模式一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在。
2003年，中國科學(xué)院高能物理研究所（中科院高能物理所）的科研人員提出設(shè)想，利用我國大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，尋找中微子的第三種振蕩模式，并精確測量該振蕩的幾率。
經(jīng)過8年的醞釀和建設(shè)， 2011年12月，位于深圳市大亞灣核電站北部山地地下的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)探測器開始運(yùn)行取數(shù)。大亞灣核反應(yīng)堆每秒鐘產(chǎn)生35萬億億個中微子，為實(shí)驗(yàn)提供了豐富的中微子源。同時這里緊鄰高山，可以為地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽宇宙射線干擾。
開挖地下實(shí)驗(yàn)室并不容易，需要解決大量技術(shù)難題。大亞灣實(shí)驗(yàn)中方負(fù)責(zé)人是中科院高能物理所所長王貽芳，他舉例說，在距核反應(yīng)堆很近的地方進(jìn)行爆破，是實(shí)驗(yàn)當(dāng)中遇到的巨大困難。“最終我們克服重重困難，安全完成了鄰近核反應(yīng)堆的約3000次爆破作業(yè)，建成了地下實(shí)驗(yàn)室。”
2012年3月，大亞灣實(shí)驗(yàn)迎來“高光時刻”，大亞灣國際合作組宣布首次探測到中微子的第三種振蕩模式，并以前所未有的精度，測得其振蕩大小為0.092，誤差為0.017，無振蕩的可能性僅為千萬分之一。這一實(shí)驗(yàn)成果入選美國《科學(xué)》雜志2012年度十大科學(xué)突破，并獲得2016年度國家自然科學(xué)一等獎。
完成了科學(xué)使命后，我國第一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置——運(yùn)行了9年的大亞灣核反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)于2020年12月退役。它使我國的中微子研究“從無到有”并跨入國際先進(jìn)行列。
大亞灣實(shí)驗(yàn)的成果，對精確部署未來中微子實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義，國際上立刻啟動了多個中微子實(shí)驗(yàn)。“中微子質(zhì)量順序”成了中微子實(shí)驗(yàn)研究的下一個重大問題，國際競爭激烈。在我國，“接棒”大亞灣實(shí)驗(yàn)的江門中微子實(shí)驗(yàn)(JUNO)登場，和正在建設(shè)的日本頂級神岡實(shí)驗(yàn)、美國的深層地下中微子實(shí)驗(yàn)(DUNE)“競賽”。
撤場前的大亞灣實(shí)驗(yàn)大廳。中科院高能物理所供圖
地下700米
江門中微子實(shí)驗(yàn)位于廣東省江門開平市金雞鎮(zhèn)，在地圖上連線，這里和陽江核電站、臺山核電站可以畫出一個“等腰三角形”。核電站發(fā)電會產(chǎn)生大量中微子，物理靈敏度分析表明，實(shí)驗(yàn)室需距離反應(yīng)堆50-55公里，實(shí)驗(yàn)室的選址，正好和兩個核電站皆相距53公里。
“如果只有一個核電站，實(shí)驗(yàn)的造價要提高一倍。”王貽芳說。因?yàn)樵谕瑯泳嚯x下，探測到的中微子數(shù)正比于反應(yīng)堆放出的中微子數(shù)量以及探測器的靶質(zhì)量。若反應(yīng)堆減少，則探測器就要增大，從而提高實(shí)驗(yàn)造價。
在地圖上，江門中微子實(shí)驗(yàn)和陽江核電站、臺山核電站構(gòu)成“等腰三角形”。中科院高能物理所供圖
同時，日常環(huán)境中存在大量的宇宙射線，它們在探測器中產(chǎn)生的信號將比中微子信號多上億倍。因此，中微子探測器還需要放在很深的地下，金雞鎮(zhèn)環(huán)繞的群山和花崗巖可以起到“屏蔽”宇宙射線的作用。
8月，新京報記者走進(jìn)江門中微子實(shí)驗(yàn)室，在井口乘坐纜車，順著與水平方向呈23度角的軌道向地下700米駛進(jìn)，開啟了“地殼探險”。據(jù)工作人員介紹，纜車本身沒有動力，下行時靠重力向下推進(jìn)，上行時靠鋼絲繩牽引。一旦出現(xiàn)鋼絲繩斷裂等情況導(dǎo)致纜車下行超速，纜車車輪的抱死裝置將啟動，使纜車停下，確保人員安全。
乘坐纜車順著斜井前往地下700米的實(shí)驗(yàn)大廳。 新京報記者 張璐 攝
悠長深邃的斜井中管道密布，作業(yè)的風(fēng)機(jī)在呼呼作響。行至斜井深處，空氣變得濕漉漉的，地面上出現(xiàn)了少量順勢而下的水流。“斜井剛開挖到100多米時，就出現(xiàn)地下涌水情況，隨著隧道越挖越深，斜井最大涌水量達(dá)530立方米/小時。”這與勘查單位此前勘探時發(fā)現(xiàn)的最大180立方米/小時的涌水量有較大偏差。
為了避免地下水不斷涌出淹沒作業(yè)面，建設(shè)人員采用了“超前探水灌漿”的施工工藝。他們沿著作業(yè)面在巖石上打九、十個孔，灌入水泥漿并摻入水玻璃使其加快凝固。水泥漿沿著巖體裂隙，將地下水封堵在30米開外的地方。建設(shè)人員開挖掘進(jìn)25米后，預(yù)留5米作為保護(hù)層，繼續(xù)循環(huán)打孔注漿。地下水當(dāng)然也不能完全堵住，以防水壓太大把洞壓垮。在隧道兩側(cè)，每隔幾百米留有臨時集水井，部分地下水順著隧道凹槽流入井中，被水泵抽排到地面。1265.16米長的斜井隧道就這樣被一點(diǎn)點(diǎn)挖了出來。
地下施工支洞頂拱滲水。中科院高能物理所供圖
“地下水的壓力非常大，甚至可以將鉆機(jī)中實(shí)心鉆桿頂歪，如果固定不牢，鉆桿在水壓作用下會像箭一樣回射出來。”據(jù)現(xiàn)場從事基建工作的閻良平介紹，在地質(zhì)情況如此復(fù)雜的情況下使用“超前探水灌漿”的施工工藝，水泥漿配比、注漿量、注漿壓力等參數(shù)都需要重新摸索改進(jìn)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐并改進(jìn)配比，他們終于找到了最優(yōu)方法。
為了通向地下實(shí)驗(yàn)大廳，工程還建設(shè)了一口豎井，深達(dá)564.2米，直徑只有5.5米，由于不像斜井一樣可以攀爬，工作人員施工時要坐著“鐵桶”吊下去、提上來。
“變形金剛塔”與“鋼鐵鎧甲”
纜車到達(dá)了井底，這里的巖石溫度達(dá)到31攝氏度，空氣悶熱，地面濕滑。步行向下走了幾百米，汗流浹背的記者終于來到地下實(shí)驗(yàn)大廳的門口。
進(jìn)入潔凈間之前，所有人需要穿上潔凈衣、罩住頭發(fā)、戴上手套和鞋套、經(jīng)過風(fēng)淋室吹淋。風(fēng)淋室的大門向上開啟，像置身于科幻電影中一樣，一個巨大的鋼球和一個通天鋼塔直觀地矗立在記者眼前。
液壓升降平臺好似“變形金剛塔”，全程服役于有機(jī)玻璃球的安裝。中科院高能物理所供圖
“我們正處在一個巨大坑洞的坑底，實(shí)驗(yàn)大廳高71米，跨度達(dá)49.5米，是目前國內(nèi)跨度最大的地下洞室，內(nèi)有44米深的水池。”閻良平說，地下大廳沒有一根立柱支撐，為了防止塌陷，穹頂和洞室四周布滿錨索，錨索深深扎入巖體，像擰緊的螺栓一樣對巖石施加預(yù)應(yīng)力，將巖石牢牢固定住。
未來，江門中微子實(shí)驗(yàn)的中心探測器——球形液體閃爍體探測器將浸泡在地下實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)44米深的水池中央，它由直徑41米的不銹鋼網(wǎng)殼、直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，以及2萬噸液體閃爍體、2萬只20英寸光電倍增管、2.5萬只3英寸光電倍增管等關(guān)鍵部件組成。
頗具美感的巨大“鋼球”，就是中心探測器的主支撐結(jié)構(gòu)——不銹鋼網(wǎng)殼，它為其內(nèi)部與之間隔2米的有機(jī)玻璃球穿上了“鋼鐵鎧甲”。液壓升降平臺可謂“變形金剛塔”，它的直徑和高度逐層可變，全程服役于有機(jī)玻璃球的安裝。
從水池頂端俯瞰不銹鋼網(wǎng)殼全貌。中科院高能物理所供圖
未來，探測器建成后，容納探測器的水池將“封蓋”，探測器將“不見天日”地運(yùn)行30年。為了抓住難得的機(jī)會看看探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記者手腳并用，在僅能容納一人的狹窄鋼梯通道上攀爬起來。實(shí)驗(yàn)大廳的空調(diào)使這里的溫度保持在21攝氏度，但爬上12層樓高的平臺后，記者額頭已經(jīng)微微冒汗。
支撐有機(jī)玻璃球和各種儀器設(shè)備的“鋼球”，使用了大約900噸低放射性的不銹鋼材料。“相比碳鋼，不銹鋼比較軟，很難得到需要的剛度和精度，價格也昂貴。但鋼球要泡在水中30年，所以還是得用不銹鋼。”王貽芳說，為了保證實(shí)驗(yàn)大廳的潔凈度，同時確保不變形，整個鋼結(jié)構(gòu)沒有一處焊接，科研人員用12萬套高強(qiáng)螺栓將不銹鋼構(gòu)件拼接成型。
最大的玻璃球
實(shí)驗(yàn)探測器的研制有三個技術(shù)挑戰(zhàn)，其一就是研制世界上最大的有機(jī)玻璃容器。
在大鋼球內(nèi)，有機(jī)玻璃球的安裝剛剛開始。工程人員揭開覆蓋物，晶瑩剔透的玻璃板露出光彩。“這是目前已知的最干凈、透明的有機(jī)玻璃，肉眼就能明顯看出它和普通有機(jī)玻璃的區(qū)別。”王貽芳流露出自豪的神情，他說，為了達(dá)到透明度的指標(biāo)，生產(chǎn)廠家新建了生產(chǎn)線，對各種材料成分進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)工具、模具也進(jìn)行了特殊的處理。
有機(jī)玻璃球厚12厘米，但對于直徑35.4米的玻璃球來說，12厘米薄如蛋殼。科研人員準(zhǔn)備了265塊球形有機(jī)玻璃板，最大的一塊9米長、3米寬，它們將被分層逐一粘接，拼成玻璃球。粘接材料不是普通的膠水，而是有機(jī)玻璃本體材料。
從水池頂端俯瞰，黑色的水池內(nèi)壁十分醒目，工作人員可以在不銹鋼網(wǎng)殼內(nèi)的平臺上安裝有機(jī)玻璃球。 新京報記者 張璐 攝
此前，國際上最大的有機(jī)玻璃球直徑12米，用于加拿大SNO中微子探測實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)場建造的過程中出現(xiàn)過開裂，經(jīng)過反復(fù)修補(bǔ)，折騰了2年才完成。此次江門中微子實(shí)驗(yàn)的有機(jī)玻璃球直徑達(dá)35.4米，面積相當(dāng)于國外的10倍，要求工期卻只有10個月。
江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總工程師馬驍妍告訴新京報記者，此前進(jìn)行設(shè)計時，他們邀請了很多國外的評委進(jìn)行方案評審。“人家覺得不可想象，說只要你們能把這球做出來，用多長時間都行。但我們的實(shí)驗(yàn)要跟國際上其他實(shí)驗(yàn)競爭，不能慢了。”
尺寸大、精度高，是有機(jī)玻璃球研制的最大難點(diǎn)。前期設(shè)計上，科研團(tuán)隊集結(jié)了國內(nèi)高校和科研單位力量，不斷優(yōu)化方案。玻璃球設(shè)計得厚一些，結(jié)構(gòu)可靠度自然高，但是設(shè)計團(tuán)隊還需要考慮成本。
在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，一般的廠家也不敢輕易接手。“這么大一個球，哪個廠家都沒做過，我們考察了大量廠家，和3個候選廠家一起做了兩年的預(yù)研工作。一方面考察廠家的生產(chǎn)制造實(shí)力，一方面考察他們的科研素養(yǎng)。廠家的科研團(tuán)隊要和我們一起琢磨這個事情，不斷摸索優(yōu)化。”馬驍妍說，有機(jī)玻璃生產(chǎn)企業(yè)以往做的大多是海洋館項(xiàng)目，就算使用過程中出現(xiàn)一些問題，一般都可以提前觀察到并及時進(jìn)行處理，但探測器未來將在封閉的水池中運(yùn)行30年，沒有機(jī)會進(jìn)行修復(fù)，不容有失。為此，科研人員用小的玻璃樣塊，不同種類的模型，反復(fù)試驗(yàn)。
玻璃板在工廠生產(chǎn)時，就要經(jīng)過板材澆筑、烘彎、加工、聚合、退火、打磨拋光、清潔、貼膜等多道復(fù)雜工序，來到現(xiàn)場還要再吊裝、拼裝、測量、聚合、退火以及拼接縫處的打磨、拋光、清潔、貼膜等。目前玻璃板正從上往下逐層安裝，可以最大程度避免落物對有機(jī)玻璃造成損壞。光是玻璃球的安裝方案，科研團(tuán)隊就討論了三年，把所有細(xì)節(jié)和問題想得清清楚楚。
接下來的安裝環(huán)節(jié)仍面臨極大挑戰(zhàn)，馬驍妍很沉穩(wěn)，“雖然已經(jīng)做了大量實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)場環(huán)境畢竟不同，我們要慢慢來、開好頭，把各個環(huán)節(jié)理解透”。
“大儀器設(shè)備的生產(chǎn)，我們通常會培育兩家以上企業(yè)，避免只有一家企業(yè)時發(fā)生突然加價的情況。”王貽芳說，如何把錢用在刀刃上，是一個大裝置負(fù)責(zé)人時刻要考慮的問題。工程指標(biāo)、可實(shí)施性、科學(xué)目標(biāo)、經(jīng)費(fèi)、工期等各方面都要做到平衡。
最透明的液閃
未來在水池中，有機(jī)玻璃球內(nèi)外會先同時注滿最純凈的水，灌裝過程使其內(nèi)外壓力保持平衡。此后，科研人員會將球內(nèi)的水用置換的方法換成2萬噸液體閃爍體（液閃），液閃將和光電倍增管共同探測中微子被“俘獲”時產(chǎn)生的閃爍光。
江門中微子實(shí)驗(yàn)探測器示意圖。中科院高能物理所供圖
世界上最透明的液體閃爍體，是探測器研制的第二個難關(guān)。
“液閃的衰減長度大于20米。”江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目液閃純化子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人蔡嘯解釋說，光在經(jīng)過一段距離后會逐漸衰減，當(dāng)其強(qiáng)度變成原來的1/e（約為0.37）時，這段距離就叫做衰減長度。中微子被“俘獲”時產(chǎn)生的閃爍光本身就很弱，如果液閃不夠透明，衰減長度比較短，閃爍光將在傳輸過程中變得更弱，更難被光電倍增管探測到。
他進(jìn)一步解釋說，從光學(xué)性能講，評價液閃透明度的關(guān)鍵指標(biāo)是衰減長度。同時，從放射性角度講，液閃中的放射性雜質(zhì)去除得越干凈越好。“我們要求放射性鈾的含量是10的負(fù)17次方。”
如何將液閃變得更透明？蔡嘯帶記者來到了液閃純化大廳，對四套純化設(shè)備進(jìn)行一一介紹。液體閃爍體最主要的材料是烷基苯，這種透明的油狀液體是制作洗滌劑的原材料。通過管道運(yùn)抵大廳的特制烷基苯，出廠時衰減長度已然高達(dá)15米到20米。
先期到達(dá)場地的200噸烷基苯在大罐中用氮?dú)饷芊獗４妫瑢⑼ㄟ^管道輸送至液閃純化大廳，用于設(shè)備調(diào)試。新京報記者 張璐 攝
接下來，科研人員要將烷基苯通過填滿氧化鋁粉末的吸附柱，進(jìn)行光學(xué)純化。氧化鋁的吸附過濾作用強(qiáng)，可以將烷基苯中的光學(xué)雜質(zhì)去除。接下來科研人員對烷基苯進(jìn)行蒸餾純化，降低其放射性本底。此后的烷基苯成為“溶劑”，科研人員會將兩種粉末狀的發(fā)光物質(zhì)倒入其中攪拌，混制配成高濃度的液閃。
液閃純化大廳中的蒸餾系統(tǒng)，用于蒸餾純化烷基苯。 新京報記者 張璐 攝
至此，純化過程僅僅完成了地上的兩個步驟，接下來將轉(zhuǎn)入地下。液閃將通過管路輸送到地下的純化裝置，經(jīng)過水萃取、氣體剝離等工序，進(jìn)一步去除液閃中的鈾、釷、鉀、氡等放射性元素，最終液閃的衰減長度可以達(dá)到20米以上。2萬噸液閃中，灰塵總量不能超過0.008克。
江門中微子實(shí)驗(yàn)的液閃純凈度，比大亞灣實(shí)驗(yàn)提高了1000倍以上。蔡嘯說，以上種種復(fù)雜的純化工序，在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)時都沒有使用到。此次科研人員參考了國外純化實(shí)驗(yàn)，查閱了大量文獻(xiàn)，進(jìn)行了5年多的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計并研制了設(shè)備，改進(jìn)了工藝。
“我是學(xué)高能物理的，但在研發(fā)純化設(shè)備時，我覺得自己成了‘化工人’。”他說道。
最靈敏的“黃金瞳”
鋼球內(nèi)壁，密密麻麻地排滿了2萬只20英寸光電倍增管。這些橢圓形的“黃金瞳”像探測器的眼睛，將捕捉液體閃爍體發(fā)出的閃爍光，將其轉(zhuǎn)變成電信號記錄下來，再分析是不是由中微子發(fā)出的。
光電倍增管，大的是20英寸光電倍增管，共2萬只；小的為3英寸光電倍增管，共2.5萬只。中科院高能物理所供圖。
“中微子很難和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，但它們打到液閃中的發(fā)光物質(zhì)上，會發(fā)出極微弱的光。科研人員需要用光電倍增管，將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電子信號后再放大1000萬倍。”馬驍妍說，光電倍增管之間的間隙僅為3毫米，緊密排列是為了減小死區(qū)，從而探測到更多的光子。
探測器研制最難的一道關(guān)，就是世界上探測效率最高的光電倍增管。
在江門中微子實(shí)驗(yàn)之前，20英寸光電倍增管的生產(chǎn)被日本濱松公司壟斷。徐美杭是中科院高能物理所實(shí)驗(yàn)物理中心光電倍增管測試與防護(hù)系統(tǒng)的骨干。她說：“當(dāng)時一只管加上后面的防水封裝，市場價大概是5萬元，濱松公司知道我們正在研制后，給我裸管的報價降到了3.3萬元。”
按照一根管子5萬元計算的話，光2萬只管子就要10億元，而實(shí)驗(yàn)的總投入才20億元。如果光電倍增管不能做到國產(chǎn)化，國外廠家的要價不可能降下來。“在中科院高能物理所的牽頭下，科研團(tuán)隊一邊加緊國產(chǎn)化研制，一邊向外界傳遞出‘我們能做出來’的積極信號。”
“核心關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的自主可控，對實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)科學(xué)研究的目標(biāo)是極其重要的。我們不僅要做到國產(chǎn)化，還要將指標(biāo)做到國際領(lǐng)先。”王貽芳說，經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)探索和聯(lián)合攻關(guān)，2020年，1.5萬只國產(chǎn)光電倍增管全部出廠并通過驗(yàn)收。“光電倍增管在上世紀(jì)30年代就被發(fā)明了，在過去的七八十年間，它的探測效率基本維持在10%-15%之間。”他說，此次國產(chǎn)光電倍增管探測效率大于30%，相比之下，日本濱松光電倍增管的效率也只達(dá)到28.5%。
光電倍增管需要在水里工作，所以必須進(jìn)行防水封裝。防水封裝的難點(diǎn)在于，其失敗率要求非常苛刻——六年的失敗率不能超過0.5%。也就是6年里，200個光電倍增管中只能有1個因漏水而損壞。而此前，國際上其他中微子實(shí)驗(yàn)的這一數(shù)字通常為5%以上。
“雖然要求前六年的數(shù)據(jù)，但我們的實(shí)驗(yàn)都是按照20年來做的。”徐美杭說，團(tuán)隊制作了200個模型，給它們創(chuàng)造了加速老化的環(huán)境，再進(jìn)行水壓試驗(yàn)，計算防水封裝的可靠性。
光電倍增管防護(hù)還有另一個必須關(guān)注的問題——防止在水中產(chǎn)生鏈?zhǔn)奖āＳ捎诠怆姳对龉軆?nèi)部是真空，一旦一個發(fā)生爆炸，水下沖擊波會導(dǎo)致一連串光電倍增管爆炸，像被點(diǎn)燃的鞭炮一樣，被稱為“殉爆”。2001年，日本超級神岡實(shí)驗(yàn)注水時，就發(fā)生過這樣的災(zāi)難性事故，損失了8000多個光電倍增管。“為了防止殉爆的發(fā)生，我們給每個光電倍增管都加裝了由有機(jī)玻璃和不銹鋼組成的防護(hù)罩。” 徐美杭說。
記者采訪當(dāng)天，第一批光電倍增管從測試與封裝基地運(yùn)達(dá)江門中微子實(shí)驗(yàn)室，將被運(yùn)往700米的地下。“感覺像呵護(hù)了多年的孩子要離家獨(dú)自生活了一樣，有點(diǎn)舍不得，但前方的路我們已經(jīng)鋪好了。”她說。
科學(xué)目標(biāo)
所有設(shè)備就位后，浸泡著探測器的水池將注滿高純水，以屏蔽中微子之外的其他物質(zhì)。明年夏天，水池上方將用氮?dú)夥庾。⑸w上“黑蓋子”，將光和空氣隔絕。江門中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)計壽命是30年，蓋子再度開啟，要等到30年后。
如果不是近距離感受大科學(xué)裝置，很難想象這樣一個“超級工程”，要處置的繁雜細(xì)節(jié)如此之多。被問及是否焦慮，江門中微子實(shí)驗(yàn)的“總指揮”王貽芳給出了否定的答案。“所有最難的問題已經(jīng)提前得到解決。”
目前國際上共有三個大型中微子實(shí)驗(yàn)。王貽芳說，中國的江門中微子實(shí)驗(yàn)、日本頂級神岡實(shí)驗(yàn)、美國DUNE實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)有相似的地方，包括中微子質(zhì)量測序等，“但我們將比他們早4-5年”。
研究中微子對理解宇宙演化具有很重要的意義。“中微子質(zhì)量的大小和每個人都有關(guān)系，如果其質(zhì)量為0，宇宙中的密度漲落不會存在，宇宙可能是平靜、死寂的，沒有星系、銀河系、太陽和我們”。
同時，中微子是研究天體和地球內(nèi)部的探針，將在檢驗(yàn)超新星爆發(fā)機(jī)制、驗(yàn)證地球物理模型、研究太陽物理等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。江門中微子實(shí)驗(yàn)預(yù)計每天能捕獲到60個反應(yīng)堆中微子、4個大氣中微子、1個地球中微子以及上千個太陽中微子。
超新星對于宇宙的演化非常重要。據(jù)王貽芳介紹，超新星爆發(fā)后，其能量的99%以上是由中微子發(fā)出的。1987年，日本物理學(xué)家小柴昌俊成功觀測到10個超新星爆發(fā)時的中微子，由此獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。截至目前，人類總共才看到20個超新星爆發(fā)中微子。如果類似的近距離有超新星再爆發(fā)一次，幾秒之內(nèi)，江門中微子實(shí)驗(yàn)就可以看到5000個超新星爆發(fā)中微子。
根據(jù)理論計算，在銀河系中，每100年有2次左右的超新星爆發(fā)。但目前，人類已經(jīng)有400年沒有觀測到銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)。他說，希望江門中微子實(shí)驗(yàn)在“有生之年”可以趕上一次。
同時，宇宙中還存在大量超新星遺跡中微子，是以往超新星爆發(fā)產(chǎn)生的。“理論上有，但目前沒有人看到過。我們希望實(shí)驗(yàn)可以首次看到超新星遺跡中微子，這對我們理解超新星爆發(fā)的模型、能譜和整個過程非常重要。”
王貽芳稱，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的10年內(nèi)，隨著數(shù)據(jù)量不斷積累，將解決中微子質(zhì)量測序問題，下一步，實(shí)驗(yàn)將探索無中微子雙β衰變問題。
2023年，江門中微子實(shí)驗(yàn)將完成建設(shè)，逐步開始取數(shù)。屆時，世界將為之矚目，期待著它帶來新的發(fā)現(xiàn)。
新京報記者 張璐
編輯 陳靜 校對 劉軍
關(guān)鍵詞： 有機(jī)玻璃
