探測(cè)幽靈粒子的地下天眼：江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器

廣東江門開平市的打石山，這里距離沿海的陽江核電站和臺(tái)山核電站的距離都在53公里左右，正好位于這兩座核電站連線的中垂線上，三地相連呈三角之勢(shì)。

在其地下，有一座還不太為大眾所熟知，卻是真正的大國重器，2025年開始運(yùn)行，以探測(cè)一種還不太被人類所了解的神秘粒子，它就是——江門中微子探測(cè)器。

這是繼大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置之后，由中國主導(dǎo)，自主建設(shè)制造，具有眾多自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和工程技術(shù)方案的大型科學(xué)裝置。

能穿透1光年厚鉛墻的中微子

我們生活的世界是由各種基本粒子所構(gòu)成的，除了電子，質(zhì)子，中子等這些我們深入研究，熟悉的粒子外，除了我們可以探測(cè)感知到的這個(gè)世界之外，還有些粒子“神出鬼沒”，極難窺見其蹤影，這其中就包括號(hào)稱幽靈粒子的中微子。

雖然極難探測(cè)，但是細(xì)心的物理學(xué)家還是可以從一些線索中嗅到它們存在或到訪的可能證據(jù)。中微子最初是由物理學(xué)家泡利在分析原子核β衰變過程時(shí)預(yù)言的。在該過程中，中子與質(zhì)子相互轉(zhuǎn)化，并放出電子。但它們的能量看起來似乎并不守恒。泡利預(yù)測(cè)，在這個(gè)過程中可能有一種不帶電，質(zhì)量極小的中性粒子產(chǎn)生，正是它們分走了這部分消失的能量。中微子即意為中性不帶電的微小粒子。

中微子是如此特殊，它們幾乎沒有質(zhì)量，質(zhì)量大概只有電子質(zhì)量的百萬分之一，引力作用小到可以忽略不計(jì)，中微子也不帶電荷，幾乎和所有物質(zhì)都不發(fā)生作用（除了β衰變這種弱相互作用）。因此即使每時(shí)每刻都有大量的中微子穿過地球，甚至穿過我們的身體，據(jù)測(cè)算，在地球上每秒鐘都有億萬個(gè)中微子穿過你的身體，人類也渾然不覺。即使在它們前面立上一堵一光年厚的鉛墻，卻也只能減緩少量中微子前進(jìn)的步伐，大部分中微子仍將視若無物般穿墻而過，繼續(xù)前行。泡利也因此認(rèn)為，能檢測(cè)到這些微小的中性粒子簡(jiǎn)直是一件不可能完成的任務(wù)。

如何一步步完成“不可能完成的任務(wù)”？

然而，再大的困難也嚇不退人類求知探索的決心。1941年，舊中國還在全面抗戰(zhàn)期間，國土淪陷，民生經(jīng)濟(jì)凋敝。就在如此艱難的環(huán)境下，西遷至貴州遵義辦學(xué)的浙江大學(xué)物理學(xué)家王淦昌先生，發(fā)表了一篇《關(guān)于探測(cè)中微子的一個(gè)建議》的論文。該論文在國外期刊發(fā)表后，美國科學(xué)家阿倫依據(jù)王淦昌先生提出的K電子俘獲的方法，在1942年完成了著名的“王淦昌-阿倫實(shí)驗(yàn)”。這一實(shí)驗(yàn)不僅是早期中微子探測(cè)的重大進(jìn)展，也是中國人為中微子研究做出的重要貢獻(xiàn)。

1955年，美國物理學(xué)家萊因斯和考恩第一次在實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到中微子。他們的實(shí)驗(yàn)裝置位于美國薩瓦納河核反應(yīng)堆的旁邊地下12米深處。之所以在地下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是為了屏蔽宇宙射線對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，而選擇在核反應(yīng)堆附近，則是利用核反應(yīng)堆本身作為巨大的中微子源。實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)容量為400升的容器，大小接近一臺(tái)洗衣機(jī)，內(nèi)部裝滿了溶解了氯化鎘的水溶液。容器周圍包裹著閃爍體和光電倍增管，以探測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中可能釋放的光子。最終，萊因斯和考恩捕獲到了意料之中的光子信號(hào)，證實(shí)了中微子的存在。

與核反應(yīng)堆旁邊的中微子相比，自然環(huán)境中的中微子信號(hào)要弱得多，探測(cè)更是難上加難。美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的雷戴維斯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)挑戰(zhàn)這個(gè)看起來不可能完成的任務(wù)。他的實(shí)驗(yàn)室位于美國南達(dá)科他州的霍姆斯塔克金礦地下約1500米深處。選址于此不僅是為了屏蔽宇宙射線，也是為了避開其它人造或者天然輻射源的干擾。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置有一個(gè)小型游泳池般大小，里面裝了40萬升的四氯乙烯液體——一種常用于干洗的溶劑。當(dāng)太陽中微子在撞擊氯原子的過程中，由于弱相互作用，會(huì)產(chǎn)生具有放射性的氬-37粒子，通過探測(cè)氬-37粒子的數(shù)量來反推檢測(cè)到的太陽中微子的數(shù)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了30余年之久，雖然檢測(cè)到了太陽中微子，但是檢測(cè)到的中微子數(shù)量卻只有理論值的三分之一左右。

當(dāng)然，人類探索的腳步不可能在困難面前停止。日本由小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)的超級(jí)神岡中微子探測(cè)裝置，位于日本岐阜縣神岡礦山地下1000米深處。這一巨型裝置的主體為一個(gè)裝有5萬噸超純水的巨型不銹鋼容器，容量相當(dāng)于20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)奧運(yùn)泳池，約為北京水立方總?cè)莘e的1.6倍。其探測(cè)原理是基于中微子與超純水相互作用時(shí)產(chǎn)生的切倫科夫輻射來探測(cè)中微子。小柴昌俊也探測(cè)到了太陽中微子，在1987年還捕獲到銀河系外超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的中微子。緊接著，小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章，利用超級(jí)神岡裝置探測(cè)到了中微子可以在三種狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，即“中微子振蕩”。這一現(xiàn)象解釋了此前戴維斯實(shí)驗(yàn)中太陽中微子數(shù)量只有理論值的三分之一的原因。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)也證實(shí)微小的中微子也具有質(zhì)量，使得人類對(duì)中微子的認(rèn)識(shí)又邁出了關(guān)鍵的一步。

中微子是如此的神秘，人類對(duì)其了解及其有限，了解中微子的性質(zhì)對(duì)于解答物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱之謎，宇宙暗物質(zhì)之謎，了解宇宙的起源等問題至關(guān)重要。了解中微子有可能幫助我們找到宇宙的密碼，讓我們更深刻的認(rèn)識(shí)理解我們身處的世界。時(shí)至今日，在中微子研究領(lǐng)域，已經(jīng)有八位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)，今后中微子研究也仍將是物理學(xué)最熱門的研究領(lǐng)域之一。

從大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)到江門中微子實(shí)驗(yàn)

在新時(shí)期，以中科院高能物理研究所的王貽芳院士為代表的中國科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)中國科研人員在中微子研究領(lǐng)域不斷探索，王貽芳院士領(lǐng)導(dǎo)了大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的建設(shè)使用，在國際上率先測(cè)得了第三種的中微子振蕩模式，領(lǐng)導(dǎo)中國科研人員緊追世界前沿科技。

新建成并投入使用的江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器具備極高精度的探測(cè)能力，它的首要目標(biāo)是測(cè)量三種中微子的質(zhì)量順序問題。重要科學(xué)問題的解決和新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將超越目前我們對(duì)基本粒子物理模型的理解，甚至可能重構(gòu)物理學(xué)的基礎(chǔ)，使得物理學(xué)界對(duì)江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置充滿期待。

江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置的挑戰(zhàn)不僅在于選址，其建造過程也充滿挑戰(zhàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置猶如一座巨大的宮殿，建在700余米的地下，深度甚至超過了上海中心大廈的高度，建造過程中要克服高溫、高濕、壓力和滲水等各種極端環(huán)境狀況。

裝置的核心是直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，其由263塊面板無縫拼接而成，工藝難度極高。球體內(nèi)部注入2萬噸液體閃爍體作為探測(cè)介質(zhì)。有機(jī)玻璃球外側(cè)則是直徑41米的不銹鋼網(wǎng)殼提供支撐保護(hù)，網(wǎng)殼內(nèi)側(cè)密密麻麻均勻安置了4.5萬只猶如金黃色瞳孔的光電倍增管，指向有機(jī)玻璃球心，用以捕捉到中微子和閃爍體作用后的微弱閃光，其靈敏度可以捕捉到單個(gè)光子的瞬間信號(hào)，并將其放大億萬倍，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行分析。最外層是一個(gè)巨大的圓柱形水池，其內(nèi)部注入3.5萬噸超純水，起到屏蔽宇宙射線和本底輻射干擾的作用。

2024年11月，探測(cè)器主體建設(shè)完成，2025年8月26日，完成2萬噸液體閃爍體灌注，并正式開始運(yùn)行。經(jīng)過17年構(gòu)想，10年建設(shè)，江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置終于開始運(yùn)行，就像在地下睜開一只巨眼，觀察宇宙的瞬息變化。

中微子探測(cè)始終是高能物理研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。然而，重要的科學(xué)研究離不開趁手的“兵器”，尤其是探測(cè)“中微子”這樣的幽靈粒子，對(duì)測(cè)試裝置的技術(shù)要求更高。

以往這種大科學(xué)裝置通常由美國、日本等科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力領(lǐng)先的國家主導(dǎo)建造，比如美國的霍姆斯塔克裝置，日本的超級(jí)神岡探測(cè)器，以及南極的冰立方中微子探測(cè)器等。這些裝置建設(shè)難度大、探測(cè)精度要求極高，科研人員需要多年的不懈工作才能有所發(fā)現(xiàn)。

如今，我國自主建設(shè)的江門中微子探測(cè)器，從國產(chǎn)光電倍增管的研制，到關(guān)鍵部件制造的精度攻關(guān)，通過自主創(chuàng)新與國際合作相結(jié)合，我國在相關(guān)領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)能力也開始走向世界前列，步入中微子探測(cè)的國際第一梯隊(duì)，今后將為揭示中微子奧秘、探索宇宙起源與演化，貢獻(xiàn)出中國方案和智慧。

出品：科普中國

作者：周曉亮（北京交通大學(xué)）

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