12層樓高的水晶球逼幽靈粒子現(xiàn)身

兩座核電站之間，700多米深的花崗巖下，正開(kāi)掘一個(gè)巨大的空洞，容納一個(gè)12層樓高的水晶球。這個(gè)水晶球，將浸泡在一個(gè)灌有3萬(wàn)噸純凈水的池里，被鋼架栓牢。圓柱體的水池，直徑43.5米，深44米。水池上方是各種測(cè)量設(shè)施。

中科院高能物理所供圖

兩座核電站之間，700多米深的花崗巖下，正開(kāi)掘一個(gè)巨大的空洞，容納一個(gè)12層樓高的“水晶球”。來(lái)自球中的一次次閃爍，將吐露中微子的身世秘密。

位于廣東的正在建設(shè)的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置，是中國(guó)前所未有的最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置。與當(dāng)前最好的國(guó)際同類(lèi)裝置相比，它的規(guī)模大20倍，精度提高近一倍。

世界最大的有機(jī)玻璃球

中微子被稱(chēng)為幽靈粒子，為偵測(cè)它，人類(lèi)不得不大費(fèi)周章。如今，江門(mén)地下中微子實(shí)驗(yàn)觀測(cè)站(JUNO)被物理學(xué)家寄予厚望：精確地測(cè)量中微子的一些基本特性。

宇宙里到處都是中微子。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。中微子很難跟其他物質(zhì)反應(yīng)，穿行宇宙如入無(wú)物之陣。現(xiàn)代的中微子實(shí)驗(yàn)都會(huì)用巨量的靶物質(zhì)作為陷阱，提高捕獲中微子的幾率。

JUNO的核心，是一個(gè)直徑35.4米，厚12厘米的空心有機(jī)玻璃球。造這么大，是因?yàn)槔锩嬉嗌?萬(wàn)噸的液體(叫做液閃)作為靶物質(zhì)。

這是人類(lèi)造過(guò)的最大的有機(jī)玻璃球。中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳曾告訴科技日?qǐng)?bào)記者，目前世界上用于粒子物理的有機(jī)玻璃球，比它小20倍;水族館的有機(jī)玻璃水箱也比它小得多。

這個(gè)水晶球的意義，是用透明的介質(zhì)，分開(kāi)里面的液閃和外面的水。中科院高能物理所研究員曹俊說(shuō)，這個(gè)有機(jī)玻璃球必須非常透明，同時(shí)結(jié)實(shí)。

“12層高的空球，就像房子一樣可能垮塌。其他材料造不出來(lái)，用有機(jī)玻璃也很難。因?yàn)橛袡C(jī)玻璃很容易裂。”曹俊說(shuō)，“沒(méi)有造這種球的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我們自己建造了一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，自己做出一套標(biāo)準(zhǔn)。”

這個(gè)水晶球的準(zhǔn)備工作已經(jīng)就緒。當(dāng)實(shí)驗(yàn)大廳開(kāi)掘完畢后，它將在現(xiàn)場(chǎng)搭建, 因?yàn)閹资椎那驘o(wú)法通過(guò)隧道。

最大的地下人工洞穴

JUNO的前輩是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置。它們都利用了核裂變反應(yīng)釋放的海量中微子。不同的是，大亞灣偵測(cè)的是一個(gè)核電站的中微子;而JUNO則同時(shí)利用兩個(gè)核電站，10個(gè)反應(yīng)堆的中微子。

位于廣東的陽(yáng)江核電站將建6個(gè)反應(yīng)堆，臺(tái)山核電站將建4個(gè)反應(yīng)堆。JUNO距離兩者都是53公里。

曹俊告訴記者，如探測(cè)器到多個(gè)反應(yīng)堆的距離不相等，中微子能譜上的小結(jié)構(gòu)就會(huì)互相抵消(就像正弦信號(hào)的波峰波谷會(huì)抵消)。根據(jù)計(jì)算，應(yīng)在距離兩個(gè)核電站均為53公里的一個(gè)寬200米長(zhǎng)2公里的矩形區(qū)域設(shè)置探測(cè)器。

53公里很遠(yuǎn)，從反應(yīng)堆來(lái)的中微子流會(huì)變?nèi)酢Ｋ裕琂UNO與大亞灣探測(cè)器相比，靶物質(zhì)增重一千倍。JUNO的大玻璃球，將浸泡在一個(gè)灌有3萬(wàn)噸純凈水的池里，被鋼架栓牢(以克服3000噸的浮力)。圓柱體的水池，直徑43.5米，深44米。水池上方是各種測(cè)量設(shè)施。

容納這一切需要一個(gè)直徑50米、高70米的巨型大廳。JUNO被設(shè)計(jì)在700多米的花崗巖山體下，以屏蔽宇宙射線干擾。

為此，JUNO正在山里鑿出國(guó)內(nèi)最大的地下洞穴。這也帶來(lái)了很多麻煩，打隧道和開(kāi)挖大廳，都碰上了涌水，這使土建工程出現(xiàn)延期問(wèn)題。項(xiàng)目組一邊灌漿堵水，一邊抽水。他們不敢全部堵住出水點(diǎn)，避免洞穴外圍承壓太大帶來(lái)垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

精心調(diào)配的液體

中微子是這樣被偵測(cè)到的：一個(gè)中微子撞上了一個(gè)質(zhì)子，就化為一個(gè)中子和一個(gè)正電子。正電子隨即湮滅放出一道光。中子則加入某個(gè)原子核，不穩(wěn)定的原子核很快分裂并放出γ光子。因此，一先一后兩道光，就是中微子碰撞的跡象。

科學(xué)家制備液閃，要它具備三個(gè)性質(zhì)：質(zhì)子特別多(創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓中微子撞);特別透明(微光能射出去);盡量不帶放射性(避免發(fā)出沒(méi)用的信號(hào))。

大亞灣實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)科學(xué)家調(diào)配出了當(dāng)時(shí)世界上最好的液閃。而在JUNO，他們改進(jìn)了配方，液閃質(zhì)量達(dá)到了新高。

這種液閃主體是烷基苯，加上一些特殊的配料。它比純凈的游泳池還要透明得多，光線穿過(guò)幾十米，衰減不大。

曹俊說(shuō)，為降低液體天然的放射性雜質(zhì)(比如氣態(tài)的氬、氪、氡，或固態(tài)的鈾)，要通過(guò)三氧化二鋁過(guò)濾、減壓蒸餾、水萃取、蒸汽剝離一系列工序，相當(dāng)于把幾萬(wàn)噸的液體“洗一遍、蒸一遍”。

實(shí)際上，JUNO的有機(jī)玻璃球材料，以及其他各種器材的材料，也要經(jīng)過(guò)處理以消除放射性。

看到微光

JUNO在測(cè)量中微子的同時(shí)，也會(huì)接收到大量的無(wú)用信號(hào)。水池和水池頂部的一些探測(cè)器，就是用來(lái)專(zhuān)門(mén)探測(cè)宇宙射線，以將相關(guān)信號(hào)排除出去。

曹俊介紹說(shuō)， 2萬(wàn)噸液閃每天只能捕獲到60個(gè)反應(yīng)堆中微子、4個(gè)大氣中微子、1個(gè)地球中微子、以及90個(gè)太陽(yáng)中微子。與之相比，盡管山體遮擋讓宇宙射線強(qiáng)度降低20萬(wàn)倍，宇宙射線干擾信號(hào)每天仍有10萬(wàn)次。

JUNO裝了四萬(wàn)多只世界上最靈敏的眼睛——18000個(gè)20英寸的和26000個(gè)3英寸的光電倍增管。光電倍增管可以將微弱的光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。由于JUNO要求極高的能量分辨率，之前的商業(yè)產(chǎn)品達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。為此國(guó)內(nèi)幾家企業(yè)和研究所聯(lián)合攻關(guān)，已經(jīng)研制出探測(cè)效率世界最高而且便宜的產(chǎn)品。

光電倍增管外形像大燈泡，內(nèi)部是真空的，多年泡在水池里是有風(fēng)險(xiǎn)的。科學(xué)家考慮到：如果某個(gè)“燈泡”裂一點(diǎn)縫，水瞬間吸入真空，在空間中心反彈，會(huì)形成激波。這種波破壞力極大，會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，毀掉其他的光電倍增管。

為此，他們給光電倍增管特制了一種保護(hù)罩，即使受損，水也不會(huì)急速涌入形成激波。

“解決這些問(wèn)題，喜歡物理的科學(xué)家可能覺(jué)得不那么好玩，比較繁瑣。但要做出比較重要的科學(xué)成就，必須要承擔(dān)這些麻煩。”曹俊說(shuō)。

在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是沒(méi)有質(zhì)量的，而中微子振蕩表明它具有質(zhì)量，這是一個(gè)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(暗物質(zhì)是另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋的謎題)。所以中微子研究是現(xiàn)有理論的一個(gè)突破口。

JUNO可能在2021年試運(yùn)行。它將以相當(dāng)高的確信度，回答至關(guān)重要的“中微子質(zhì)量順序”的問(wèn)題，并精確測(cè)量多個(gè)中微子參數(shù)，為物理學(xué)大廈添上重要的一塊磚。(高博)

關(guān)鍵詞： 水晶球 幽靈粒子