消息：中國(guó)建造超大玻璃球求解“幽靈粒子”之謎

　　JUNO探測(cè)器示意圖。（中科院高能所供圖）

在一個(gè)12層樓高的玻璃球里注入透明液體，中國(guó)科學(xué)家打算造一個(gè)全世界最大的“水晶球”來(lái)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(mén)。

他們將把一個(gè)直徑達(dá)35.4米的有機(jī)玻璃球安裝在廣東省江門(mén)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(gè)空洞，作為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)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(mén)中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)言人、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳近期介紹項(xiàng)目進(jìn)展時(shí)說(shuō)。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)(JUNO)于2015年1月開(kāi)工建設(shè)。若順利，明年年中，施工人員將開(kāi)始在地下實(shí)驗(yàn)廳中組裝巨大的球形探測(cè)器。

這是中國(guó)最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置，預(yù)計(jì)2022年建成。與當(dāng)前最好的國(guó)際同類(lèi)設(shè)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(guò)程都伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如太陽(yáng)發(fā)光、超新星爆發(fā)、宇宙射線(xiàn)、核反應(yīng)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(lái)無(wú)影去無(wú)蹤，每秒鐘就有3億億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體。

正因?yàn)橹形⒆硬粫?huì)像光子、電子一樣，與其他粒子相互作用，它們所攜帶的關(guān)于恒星、黑洞乃至整個(gè)宇宙的“核心秘密”，吸引著好奇的人類(lèi)。

它們可以直接穿過(guò)劇烈“燃燒”的恒星內(nèi)部而不被吞噬，成為人類(lèi)了解恒星中心核反應(yīng)過(guò)程的媒介;它們?cè)谟钪嬲Q生之初就已存在，且不像光子在宇宙大爆炸38萬(wàn)年之后才結(jié)束和其他粒子相互作用開(kāi)始傳播，所以也是研究宇宙最早期歷史的載體。

上世紀(jì)50年代，科學(xué)家首次觀測(cè)到中微子的存在，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)中微子其實(shí)有三種，分別是電子中微子、μ中微子、τ中微子，它們?cè)陲w行時(shí)可以“一人分飾三角”，在三種類(lèi)別之間相互轉(zhuǎn)化，這也被稱(chēng)作中微子振蕩。

在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)是后來(lái)者，但做出了重要貢獻(xiàn)。2012年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)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(gè)重要里程碑。

但是，中微子仍有太多未解之謎。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)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(cè)，很多實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展有限，就是因?yàn)椴蹲降降闹形⒆有盘?hào)太少，數(shù)據(jù)太少。

JUNO地理位置。(中科院高能所供圖)

超級(jí)玻璃球

探測(cè)中微子，一種辦法是通過(guò)液體閃爍體探測(cè)器來(lái)捕捉它們產(chǎn)生的信號(hào)。

科研人員在有機(jī)玻璃球里注入透明的特制液體——液體閃爍體(簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”)，當(dāng)中微子穿過(guò)球體時(shí)，會(huì)有一定的幾率和液體里密布的氫核發(fā)生反應(yīng)。每一次反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)中子，正電子隨即湮滅釋放出一個(gè)快信號(hào)，中子則在反復(fù)碰撞后被其他氫核吸收并釋放出一個(gè)慢信號(hào)。一前一后兩次閃爍，就透露了中微子的行蹤。

為了提高探測(cè)靈敏度，JUNO的選址經(jīng)過(guò)精心測(cè)算。實(shí)驗(yàn)室建在地下，以屏蔽宇宙射線(xiàn)的干擾;距離陽(yáng)江核電站和臺(tái)山核電站都是53公里，可以同時(shí)利用兩者釋放的海量中微子，并畫(huà)出更精細(xì)的中微子能譜圖。

但是，較長(zhǎng)的距離也會(huì)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(cè)器——日本的KamLAND探測(cè)器還要大20倍，后者注入了1000噸液閃，而JUNO要容納兩萬(wàn)噸液閃，才能盡可能多地“俘獲”中微子。

“探測(cè)器越大，捕捉到的信號(hào)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(shuō)。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，JUNO會(huì)由265塊有機(jī)玻璃板現(xiàn)場(chǎng)組裝而成，并被鋼架固定在一個(gè)裝有約4萬(wàn)噸純凈水的大池中。

這么大的玻璃球，給工程建設(shè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組先后請(qǐng)來(lái)幾個(gè)知名力學(xué)團(tuán)隊(duì)幫忙設(shè)計(jì)，并搭建了專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試有機(jī)玻璃的力學(xué)性能和老化情況，還造了一個(gè)直徑3米的小球來(lái)驗(yàn)證計(jì)算和測(cè)試是否準(zhǔn)確。

“經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明無(wú)誤后，我們才把這套算法用來(lái)設(shè)計(jì)大的探測(cè)器。我們要確保它能運(yùn)行30年。”曹俊說(shuō)。

為確保12層樓高大球的設(shè)計(jì)安全無(wú)誤，科研人員先造出直徑3米的小球，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。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(cè)器造很大，還不夠。中微子引發(fā)的閃爍非常微弱，肉眼無(wú)法看到。科研人員還要調(diào)配出極其透明的液閃，并在玻璃球外安裝數(shù)萬(wàn)個(gè)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?cè)谀暇┱业搅朔蠗l件的廠家，生產(chǎn)出特制的液體，直接導(dǎo)入罐裝車(chē)，運(yùn)往南方的實(shí)驗(yàn)室。”曹俊說(shuō)。

在注入玻璃球前，為了清除運(yùn)輸過(guò)程帶來(lái)的污染，科研人員還要把液體又“洗”又“蒸”：用三氧化二鋁過(guò)濾，吸附雜質(zhì);蒸餾，去除光學(xué)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(jìn)行蒸汽剝離和水萃取。

“這可以說(shuō)是世界上最透明的液體，多么微弱的光都可以透過(guò)。”曹俊說(shuō)。

穿過(guò)液閃的光子，隨即會(huì)被密布在球外的2萬(wàn)個(gè)20英寸光電倍增管和2萬(wàn)5千個(gè)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(hào)微瀾。

科研人員正在測(cè)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(gè)由國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)。“最初，JUNO打算全部從國(guó)外采購(gòu)，但當(dāng)時(shí)只有日本一家公司生產(chǎn)，光這一項(xiàng)就要花費(fèi)整個(gè)項(xiàng)目40%的經(jīng)費(fèi)，而且信號(hào)收集效率也達(dá)不到要求。于是，我們決定自主研發(fā)。”JUNO光電器件性能標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的朱瑤回憶說(shuō)。

從2009年成立至今，朱瑤所在的實(shí)驗(yàn)室?jiàn)^斗了10年，鉆研出一套和國(guó)外產(chǎn)品完全不同的技術(shù)方案。

“光子進(jìn)入光電倍增管，會(huì)被轉(zhuǎn)化成電子，經(jīng)過(guò)微通道板多次倍增后，一個(gè)電子可以變成一千萬(wàn)個(gè)電子，信號(hào)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(xì)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(shuō)。

未來(lái)，這些被放大的光電信號(hào)或許可以幫助科學(xué)家解開(kāi)一個(gè)重要的謎題——中微子的質(zhì)量順序，即三種中微子哪個(gè)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(jìn)程。知道了質(zhì)量順序，可以為其他研究鋪路。”曹俊說(shuō)，“理論家一直試圖建立統(tǒng)轄宇宙萬(wàn)物的大統(tǒng)一理論，質(zhì)量順序是檢驗(yàn)這些理論是否正確的鑰匙。”