江門中微子實驗室為何建在地下七百米

我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施江門中微子實驗的建設(shè)進(jìn)入收官階段，11月20日，江門中微子實驗探測器主體建成。這個位于廣東江門的大科學(xué)裝置建在地下700米，建成后將主要研究宇宙中的一種“幽靈粒子”——中微子。

中微子是什么

想要了解江門中微子實驗的科學(xué)研究價值，首先要了解什么是中微子。據(jù)專家介紹，中微子是宇宙形成之初就存在的最古老也最原始的基本粒子之一，攜帶著非常多重要的神秘信息。中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，在最微觀的物質(zhì)世界和最宏觀的宇宙中起著重要作用，如果沒有中微子，太陽不會發(fā)光，也不會有銀河系、地球，以及人類。

談到人類對中微子的研究歷史，中國科學(xué)院高能物理研究所實驗物理中心中微子一組組長何苗研究員對記者表示，自從奧地利科學(xué)家泡利在1930年提出“中微子假說”以來，中微子的研究已經(jīng)走過了近百年歷史。20世紀(jì)七十年代，中微子中性流過程的實驗發(fā)現(xiàn)成為粒子物理學(xué)史上的里程碑。在2000年前后，日本和加拿大的中微子實驗裝置首次觀測到了大氣和太陽中微子的振蕩現(xiàn)象，這一突破為兩國科學(xué)家贏得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎。

建在地下700米

地下700米是什么概念？中國科學(xué)院高能物理研究所高級工程師錢小輝表示，實驗室的位置到其正上方的山頂有700米距離，如果把廣州地標(biāo)“小蠻腰”放進(jìn)地下，塔尖離山體表面還有100米。

為什么要將探測、研究中微子的大科學(xué)裝置建在700米地下呢？中國科學(xué)院高能物理研究所研究員衡月昆接受媒體采訪時表示，中微子又被稱為“幽靈粒子”，是指它極其難探測，因為它跟物質(zhì)發(fā)生作用的概率特別低，物質(zhì)很難阻擋它，其穿透能力特別強(qiáng)，所以探測難度特別大。

何苗對記者表示，在日本和加拿大的中微子實驗裝置發(fā)現(xiàn)大氣和太陽中微子的振蕩現(xiàn)象之后，中國的大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗于2012年首次揭示了中微子振蕩的第三種模式。這一發(fā)現(xiàn)不僅完善了中微子振蕩的理論框架，還為下一代實驗在確定中微子質(zhì)量順序等方面指明了方向。在這一背景下，江門中微子實驗應(yīng)運而生，其首要物理目標(biāo)是通過探測反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的中微子能譜，確定中微子的質(zhì)量順序。

據(jù)何苗介紹，根據(jù)中微子振蕩理論，探測器在距離反應(yīng)堆50公里附近的位置上具有最高的靈敏度。另一方面，來自宇宙的射線同樣會被探測器觀測到，干擾對中微子的探測。巖石能夠有效屏蔽宇宙射線，因此，探測器需要建在地下。700米的山體可以將宇宙射線的事件率降低近10萬倍。江門市金雞鎮(zhèn)的打石山距離具有高功率反應(yīng)堆的臺山和陽江核電站均為53公里，并且打石山的山體能夠有效屏蔽宇宙射線，為實驗提供理想環(huán)境。

江門中微子實驗裝置什么樣

從上空俯瞰，江門中微子實驗裝置的主體就像一個泡在水中的西瓜，整個球體構(gòu)成了世界上能量精度最高、規(guī)模最大的液體閃爍體探測器。核心探測設(shè)備位于地下700米的實驗大廳內(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，以及數(shù)萬噸液體閃爍體、4.5萬個光電倍增管等關(guān)鍵部件組成。

專家表示，液體閃爍體是探測中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過探測器時，會在探測器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光，從而被光電倍增管探測到。4.5萬個光電倍增管相當(dāng)于“眼睛”，密布在不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)側(cè)，面朝有機(jī)玻璃球，時刻“盯緊”玻璃球里面發(fā)出的光信號，將中微子被俘獲時發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并放大1000萬倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計算機(jī)分析處理。

“要精確測量中微子的質(zhì)量，目前的方法是通過觀測中微子振蕩，來獲取其相對質(zhì)量。描述中微子振蕩需要用到6個參數(shù)，其中已經(jīng)有4個半?yún)?shù)被科學(xué)家成功測量。大亞灣實驗團(tuán)隊為這一領(lǐng)域作出了貢獻(xiàn)，測量了其中的1個參數(shù)。”中國科學(xué)院院士、江門中微子實驗首席科學(xué)家王貽芳說，“未來剩下那1個半?yún)?shù)，就是我們需要努力解決的。”

據(jù)報道，為了測量這剩下的1個半?yún)?shù)，江門中微子實驗需要建造一個有效質(zhì)量為兩萬噸的低本底、高透明度的球形液體閃爍體探測器，也就是中心探測器“大玻璃球”。這顆玻璃球的有機(jī)玻璃凈重約600噸——是世界上最大的單體有機(jī)玻璃球。玻璃球內(nèi)部，將會灌滿液體閃爍體。它將會浸泡在圓柱形的水池中，池內(nèi)灌裝有數(shù)萬噸高純水，水里純凈到連微生物都沒有。水池兼做水切倫科夫探測器和天然放射性屏蔽體，頂部為約1000平方米的宇宙線徑跡探測器。

王貽芳表示，我們一方面想知道中微子的絕對質(zhì)量是多少，另外一方面也想通過中微子的振蕩知道中微子之間的相對質(zhì)量差是多少。通過這些質(zhì)量的研究，可以構(gòu)造對物質(zhì)世界理解的理論，基于此也可以跟宇宙的起源演化聯(lián)系起來，讓我們理解宇宙和物質(zhì)世界。

（摘自《環(huán)球時報》劉揚、冷舒眉）