▲實(shí)驗室位于在地下700米的山洞里，實(shí)驗室呈圓形，從底部到頂部落差70米，正在進(jìn)行開(kāi)挖施工。

工人在隧道盡頭俯瞰實(shí)驗井。

原標題：地下700米深處建造世界最大中微子探測器

江門(mén)中微子實(shí)驗室將為中微子“稱(chēng)重”并排序

見(jiàn)圳客戶(hù)端·深圳新聞網(wǎng)2021年1月15日訊（深圳特區報記者 古國真 李竹/文 李偉文/圖）在江門(mén)開(kāi)平市金雞鎮，一座不起眼的花崗巖山體不時(shí)傳來(lái)隆隆的機器轟鳴聲。在這座山體之下700多米深處，施工人員正在緊張挖掘著(zhù)一個(gè)迄今世界最大的實(shí)驗洞室。

這就是江門(mén)中微子實(shí)驗室的建設現場(chǎng)。

近日，記者來(lái)到施工現場(chǎng)，見(jiàn)到了中科院高能物理研究所研究員、江門(mén)中微子研究中心主任李小男。作為中國兩代中微子實(shí)驗的見(jiàn)證人之一，李小男向記者講述了江門(mén)中微子實(shí)驗的“前世”和“今生”故事，一個(gè)由中國人主導的、有望沖擊諾貝爾獎的世界先導性基礎科研項目“輪廓”逐漸在記者腦海中清晰起來(lái)。

大亞灣實(shí)驗為江門(mén)實(shí)驗奠定良好基礎

講到江門(mén)中微子實(shí)驗之前，不得不提到它的前身——2020年12月12日剛剛宣布退役的“深圳大亞灣中微子實(shí)驗”。

近代物理學(xué)研究認為，物質(zhì)世界是由12種基本粒子組成的，而這12種粒子中有3種是中微子。學(xué)界有一種理論叫做“標準模型理論”，描述了我們物質(zhì)世界是怎么由這12種基本粒子組成的。在標準模型里，中微子是不帶質(zhì)量的。但是，科研人員在實(shí)驗中發(fā)現了中微子的振蕩現象，這意味著(zhù)中微子是有質(zhì)量的。

而深圳大亞灣實(shí)驗則進(jìn)一步發(fā)現了新的中微子振蕩現象！

這個(gè)由中國人主導的、歷時(shí)9年的大亞灣中微子實(shí)驗成功發(fā)現了中微子的第三種振蕩模式θ13，且實(shí)驗達到了前所未有的精度。在此之前，中微子前兩種振蕩模式“太陽(yáng)中微子之謎”（θ12）和“大氣中微子之謎”（θ23）已被證實(shí)。由于第三種中微子振蕩的相關(guān)實(shí)驗長(cháng)期未果，因此有理論預言它根本不存在。然而，大亞灣實(shí)驗改變了這個(gè)預言。

李小男說(shuō)，中微子混合角θ13的發(fā)現，是我國中微子研究的里程碑，其重大意義體現在兩方面：一方面是在技術(shù)上實(shí)現了一系列突破，例如研制成功擁有完全自主知識產(chǎn)權的中微子測量?jì)x器——大尺寸微通道板型光電倍增管，打破了國際壟斷；另一方面是系統培養了一批從實(shí)驗室建設到物理分析全程參與的科研人才，他們也將成為江門(mén)實(shí)驗的主力軍。而這些都是未來(lái)開(kāi)展江門(mén)實(shí)驗的底氣。

“大亞灣實(shí)驗成果獲得了2016年度國家自然科學(xué)獎一等獎，并被國外同行譽(yù)為‘中國有史以來(lái)最重要的物理學(xué)成果’，由此，我國的中微子研究就一舉跨入了國際領(lǐng)先地位?！崩钚∧凶院赖卣f(shuō)。

退役前，大亞灣實(shí)驗已將中微子振蕩振幅的測量精度從2012年的20%提高到了3.4%，預期最終精度將好于3%。但由于大亞灣實(shí)驗已達極限，無(wú)法再提高精度，最終宣布退役。

預計在2023年整個(gè)實(shí)驗室可以投入運行

今天的江門(mén)中微子實(shí)驗室又將承擔什么新的科研任務(wù)呢？

“在這里，我們要為中微子‘稱(chēng)重’?！崩钚∧姓f(shuō)。跟隨李小男走進(jìn)江門(mén)實(shí)驗的辦公樓，入眼便看到墻面展板上寫(xiě)著(zhù)“中微子下一個(gè)挑戰目標——測量中微子質(zhì)量順序”。

李小男介紹，中微子質(zhì)量順序實(shí)驗將分兩步進(jìn)行：第一步是通過(guò)對中微子振蕩波形分析，確定目前已知的三種中微子的質(zhì)量順序，判斷三種中微子誰(shuí)重誰(shuí)輕，這項研究預計5至6年后能得到結論；第二步將實(shí)驗升級改造，確定中微子質(zhì)量的具體大小，同時(shí)與無(wú)中微子“雙貝塔衰變實(shí)驗”一起研究，判定中微子是否為其“反粒子”，這是影響中微子天文學(xué)和中微子宇宙學(xué)的重要因素。令人振奮的是，雙貝塔衰變是最稀有的衰變之一，一旦被觀(guān)測到，可以得到一些最基本的物理學(xué)線(xiàn)索，將有望沖擊諾貝爾獎。

那么江門(mén)實(shí)驗室將如何建設才能滿(mǎn)足實(shí)驗要求？

李小男介紹說(shuō)，盡管中微子充斥整個(gè)宇宙空間，但其質(zhì)量極輕、接近光速運動(dòng)、極少與其他物質(zhì)相互作用，被稱(chēng)為“幽靈粒子”，很難被捕捉到。由于核反應堆發(fā)電的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量中微子，是很強烈的中微子源，因此實(shí)驗站一般選址在核電站附近，這樣更有利于捕捉到中微子。這就是為什么江門(mén)實(shí)驗室建在陽(yáng)江、臺山核電站附近的原因。

李小男說(shuō)，地球外的帶電粒子叫宇宙線(xiàn)，會(huì )產(chǎn)生很多信號，而中微子本身的信號非常弱，如果實(shí)驗室建在地面上，宇宙線(xiàn)產(chǎn)生的信號會(huì )把中微子信號全部掩蓋掉。為了屏蔽地球外的帶電粒子，中微子實(shí)驗室一般都是建在地下，通過(guò)山體或者地球的覆蓋層，把帶電粒子屏蔽掉。

除了有宇宙線(xiàn)影響以外，我們周邊的放射性巖石或者空氣中的放射性，甚至人體中的放射性，都可能對實(shí)驗產(chǎn)生影響，所以實(shí)驗設施都是泡在水里的，而且這個(gè)“水”必須是純凈水，通過(guò)純凈水把周邊的帶電離子屏蔽掉。

因此，江門(mén)實(shí)驗室要在地下700米深處挖一個(gè)實(shí)驗洞室（又稱(chēng)實(shí)驗大廳），然后在實(shí)驗大廳還要向下挖一個(gè)46米深的水池，把中微子的實(shí)驗設備泡在水池子里。

這個(gè)實(shí)驗設備叫做中微子中心探測器，是一個(gè)直徑35米的有機玻璃球。在有機玻璃球里要灌上2萬(wàn)噸的液體閃爍體，通過(guò)液體閃爍體來(lái)捕捉和研究中微子（見(jiàn)《江門(mén)中微子探測器示意圖》）。這就是整個(gè)實(shí)驗的一個(gè)布置。

"所以我們的工程在2015年1月10號開(kāi)工建設，主要分成兩步：第一步得把實(shí)驗洞室挖出來(lái)?，F在水池的底部已經(jīng)露出來(lái)了，2020年底基本結束水池的挖掘。

洞室挖出來(lái)以后，第二步要安裝實(shí)驗設施，大概需要兩年半的時(shí)間把實(shí)驗設施安裝到地下洞室中去。完成以上兩個(gè)步驟，預計在2023年整個(gè)實(shí)驗可以投入運行。"

建成后的江門(mén)實(shí)驗室將擁有兩個(gè)世界“最大”：國際上最大的科研實(shí)驗洞室和國際上最大的中微子中心探測器。

將安裝國際上最大超高純凈度液閃探測器

江門(mén)實(shí)驗整個(gè)工程建設包含地面、地下兩部分。地面建筑包括裝配大廳、絞車(chē)房、地上動(dòng)力中心等；地下建筑包括斜井、豎井、實(shí)驗大廳（即中心洞室）、附屬洞室。目前，地面建筑以及地下實(shí)驗大廳的兩個(gè)入口——1267米的斜井、564米的豎井已完成建設。

實(shí)驗室配套基建工程項目經(jīng)理戚敬師介紹說(shuō)，地下實(shí)驗大廳是一個(gè)跨度達50米的中心洞室，從大廳挖下去的水池有46米深，從大廳向上挖到穹頂處為27米，整個(gè)洞室總高73米。洞室穹頂全依靠山體巖石自身的穩定性來(lái)支撐，穹頂到地面不能有任何柱子支撐；水池內面襯砌需要用混凝土進(jìn)行澆筑，這相當于給一座十二、三層樓高的樓體墻面澆筑，并要做到不能有滲透、漏水。此外，地下體感溫度超30℃，大量地下水隨時(shí)噴涌。在這種高溫高濕狀態(tài)下施工，其難度可想而知?？上驳氖?，2020年末，實(shí)驗水池施工已基本完成，開(kāi)始進(jìn)入基建電氣設備安裝階段。

“你看到的所有基建，全是為了中微子探測器服務(wù)，它才是捕獲中微子的武器?！崩钚∧型嘎?，未來(lái)，探測器關(guān)鍵部件——有機玻璃球，以及在水池中支撐玻璃球的不銹鋼網(wǎng)架生產(chǎn)出來(lái)后，會(huì )運到地面的裝備大廳簡(jiǎn)單組裝，再通過(guò)斜井運往地下水池完成拼裝，最后通過(guò)豎井從地面將高純水灌滿(mǎn)已經(jīng)放置了有機玻璃球探測器的水池。

探測器如何捕獲中微子？李小男介紹，探測器里裝滿(mǎn)透明的液體閃爍體（簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”），液閃主要成分是用來(lái)制作洗衣粉的化工原料烷基苯。當捕獲中微子時(shí)，液閃將發(fā)出微弱的閃光，閃光被安裝在探測器表面的類(lèi)似燈泡的光電倍增管捕捉，并將微弱的光信號轉換成電信號，通過(guò)計算機再轉換成數字信號后就可為科研所用。

值得注意的是，江門(mén)實(shí)驗的探測器可容納重量達2萬(wàn)噸的液閃，比大亞灣實(shí)驗的20噸大了整整1000倍；同時(shí)，探測器的關(guān)鍵部件有機玻璃球直徑達35.4米，為國際最大；不銹鋼網(wǎng)架直徑也長(cháng)達40.1米。建成后它將成為國際上最大、擁有國際最好能量精度與超高純凈度的液閃探測器。

未來(lái)，這個(gè)大型探測器表面將鋪滿(mǎn)近1.8萬(wàn)個(gè)20英寸直徑的圓形光電倍增管，在這些光電倍增管之間形成的縫隙空間再鋪設3萬(wàn)個(gè)小型光電倍增管，以使探測器表面盡可能多地覆蓋大小光電倍增管，從而能捕獲到更多的中微子。目前江門(mén)實(shí)驗的探測器光電倍增管覆蓋率設計達到78％。從《江門(mén)中微子探測器示意圖》可以看到，整個(gè)探測器若一顆金黃閃亮的玻璃球。

探測器的容量擴大是為了能夠捕捉到更多的中微子事例，但也為前期的建設帶來(lái)了巨大難題，比如：對液閃透光度的把握、有機玻璃球的制作、大尺寸光電倍增管的研發(fā)等都是巨大的考驗?！霸诖髞啚硨?shí)驗室直徑5米的探測器中，中微子的光子只用跑5米就能被光電倍增管捕捉；但在這個(gè)35米直徑的探測器中，中微子的光子至少要能夠在液閃中跑20米，這需要極高的透光度?！崩钚∧斜硎?。

目前，探測器研制的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題均已攻克，比如高性能的液體閃爍體已完成中試研究。李小男說(shuō)，預計2021年中將完成基建施工并開(kāi)始探測器的整體安裝，2023年開(kāi)始運行取數。

將通過(guò)中微子探測手段

研究天體自然現象

目前，國際上能與江門(mén)實(shí)驗競爭的有兩大實(shí)驗，分別是美國沙丘實(shí)驗、日本頂級神岡實(shí)驗，他們均可測量中微子質(zhì)量順序。不同的是，美、日研究是通過(guò)加速器實(shí)現人工產(chǎn)生中微子來(lái)進(jìn)行研究?！把芯咳斯ぎa(chǎn)生的中微子，其缺點(diǎn)在于數目少，但能夠精確知道中微子產(chǎn)生的方向，可降低測量難度；我們研究的中微子相當于核反應發(fā)電的附屬產(chǎn)品，其方向、能量不確定，會(huì )給實(shí)驗增加難度，但核反應產(chǎn)生的中微子數量非常多，容易捕捉到，這是我們的優(yōu)勢?！崩钚∧薪忉尩?。

李小男進(jìn)一步向記者“科普”道，太陽(yáng)、地球包括超新星爆發(fā)等等都會(huì )產(chǎn)生中微子，我們通過(guò)觀(guān)測這些天體發(fā)射的中微子，就可以研究天體的一些現象，比如太陽(yáng)的內部結構，地球的內部結構等。因此，江門(mén)實(shí)驗的意義在于，既可以研究中微子本身的性質(zhì)，還可以通過(guò)中微子這個(gè)探測手段去研究天體的自然現象。

李小男以超新星爆發(fā)為例解釋說(shuō)，超新星爆發(fā)的能量99%是通過(guò)中微子釋放出來(lái)，探測百年難遇的“超新星爆發(fā)中微子”是江門(mén)中微子實(shí)驗的一個(gè)重要課題，該課題將有利于揭示宇宙形成的奧秘。

“依靠即將建成的國際最大液閃探測器，江門(mén)實(shí)驗對中微子的研究會(huì )更加廣泛，這是江門(mén)實(shí)驗最重要的意義所在?！崩钚∧姓f(shuō)。

中微子研究已成為現代物理研究的熱門(mén)領(lǐng)域，自從上世紀30年代人類(lèi)發(fā)現中微子到現在，在中微子領(lǐng)域頒發(fā)的諾貝爾獎就已經(jīng)有4人次。因此，江門(mén)實(shí)驗的科研成果也格外值得期待。

但李小男對于江門(mén)實(shí)驗的最終成果能否獲得諾貝爾獎卻顯得很平和，他笑著(zhù)說(shuō)：“實(shí)際上諾貝爾獎是可遇而不可求的。從科研的角度來(lái)講，我們首先要完成科研任務(wù)，而并不是奔獎去的。當然我們的科研目標可以是諾貝爾獎級別的，但所謂諾貝爾獎也好，國家自然科學(xué)一等獎也好，都是一個(gè)同行的承認而已，我們并不追求這個(gè)東西。我們現在能做的就是在現有的技術(shù)基礎上，盡可能地優(yōu)化實(shí)驗設計，剩下的就是等待實(shí)驗給我們帶來(lái)的驚喜！”

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