揭秘 “深藏”地下的實驗室江門中微子實驗裝置

武建華

?安裝中的液閃蒸汽剝離純化裝置

深藏在地下700米的江門中微子實驗探測器，是中國為研究中微子而建設的大科學裝置。這個神秘的探測器長什么樣？它為什么要建在地下那么深的地方？又是如何探測中微子的呢？

浸泡在水池中的探測器

江門中微子探測器位于廣東省江門市開平市金雞鎮打石山。為了屏蔽宇宙線，它被安裝在地下700米處，實驗廳跨度約50米，是目前中國跨度和土石方量最大的地下實驗硐（dòng，山洞）室。

江門中微子探測器是一個有效質量為2萬噸的液體閃爍體探測器，比目前國際上最大的液體閃爍體探測器大20倍；設計能量精度為3%，比國際上能量精度最佳的探測器提高了1倍。

江門中微子探測器的“十八般武藝”

測量中微子質量順序。中微子質量順序決定了中微子的味結構，直接影響中微子與其他物質的相互作用，并在宇宙演化、太陽及超新星中微子的產生與傳播中有重要影響。

對中微子混合參數進行精確測量。其精度將比目前實驗的精度提高10倍以上。

探測超新星爆發時射出的中微子。超新星爆發時，大約99%的能量在10～30秒內以中微子的形式被發射出來，并產生大量不同能量、不同味道的中微子。對于典型的超新星爆發，江門中微子探測器一次可以探測到5000～8000個中微子。

有望首次判定地球物理模型。地球內部的鈾、釷（tǔ）放射性元素產生的地熱是驅動地球演化的主要因素之一。它們衰變產生的中微子被稱為地球中微子。不同的地球演化模型預言了不同的鈾、釷含量，江門中微子探測器能夠更準確地探測地球中微子，有望首次判定地球物理模型（用來研究和解釋地球形勢、天氣和海洋形勢等地球特性的科學理論和方法）。

江門中微子實驗探測器示意圖

尋找“隱形人”的利器

光電倍增管是江門中微子探測器的核心器件之一，被廣泛應用于科學研究和工業領域。它像眼睛一樣，捕捉液閃發出的閃爍光，將其轉變成電信號記錄下來，再分析是不是由中微子發出的。

液閃既是中微子的靶物質，也是探測中微子的介質。江門中微子探測器的液閃由烷基苯、PPO（聚苯醚）和bis-MSB3種物質混制而成。烷基苯是溶劑，PPO是發光物質，bis-MSB是波長位移劑，吸收PPO發出的光并重新發射，將光譜調整到光電倍增管靈敏范圍內。

江門中微子探測器使用的液閃，其主要挑戰來自極低本底（進行某種檢測，如放射性檢測等，沒有進樣時檢測器測得或輸出的信號值）和極高透明度的要求。在此前的大亞灣核反應堆中微子實驗裝置（2020年12月正式退役）中使用的液閃，其透明度在當時已是國際上最好的水平，但如果直接用于江門中微子探測器，約70%的光仍舊會損失在液閃中而無法被光電倍增管“看到”。

?已安裝的光電倍增管

?安裝中的液閃蒸汽剝離純化裝置

為進一步提高烷基苯的透明度、降低液閃的放射性本底水平，研究人員為江門中微子探測器精心設計了4套大型純化設施——先將2萬噸的烷基苯“濾”一遍、“蒸”一遍，混制成液閃后再“洗”一遍、“吹”一遍。通過氧化鋁過濾吸附雜質，提高烷基苯的透明度；通過蒸餾和水萃，去除液閃的放射性雜質；最后，用氣體剝離去除殘存的氡氣和氪氣。

江門中微子探測器中，直徑41米的球形不銹鋼網殼是目前中國最大的單體不銹鋼主結構，由預制的H型鋼通過12萬套高強螺栓拼接而成。其結構制造精度要求連接孔與環槽鉚（mǎo）釘的安裝間隙不超過1毫米，球形網殼網格拼裝精度小于3毫米。

?安裝完成的中心探測器不銹鋼網殼結構

江門中微子探測器于2021年底正式開始安裝，2022年6月完成中心探測器不銹鋼主結構的安裝，計劃在今年完成探測器核心部件安裝，2024年完成灌裝并試運行取數。這個“藏”在地下700米的大科學裝置，有望率先精確測量出中微子的質量順序，同時在地球中微子、太陽中微子等探測中取得一系列重大成果，讓我們一起期待吧！

知識鏈接? “隱形人”——中微子

中微子是構成物質世界最基本的單元之一。它們不帶電，質量是電子的百萬分之一，與其他物質的相互作用十分微弱，因此中微子如隱形人一般，極難被探測到。從1930年科學家理論預言中微子的存在，到1956年第一次在實驗中發現中微子，用了20多年的時間。即便如此，關于中微子仍有許多基本的科學問題未解決。

已探測到的中微子共有3種味道。這里的味道不是口味，而是美國物理學家默里·蓋爾曼和德國物理學家哈羅德·弗里奇提出的概念。他們為了區分粒子物理學標準模型中的12種基本粒子，將質量小的粒子叫作“輕味”，質量大的粒子叫作“重味”。

3種味道的中微子會相互轉化，這被稱為中微子振蕩。中微子振蕩對應3個混合參數——θ12、θ23、θ13。國外科學家先后在1998年、2001年測到了θ23和θ12，中國科學家于2012年測到了θ13。

?正在建造中的有機玻璃球

（責任編輯 / 高琳 美術編輯 / 周游）