12层楼高的水晶球逼幽灵粒子现身

在两座核电站之间，在700多米深的花岗岩下，正在挖一个巨大的洞来容纳一个12层的水晶球。水晶球将被浸没在一个装满3万吨纯净水的水池中，并用钢架固定。圆柱形水池直径43.5米，深44米。水池上方是各种测量设施。中国科学院高能物理研究所提供的数字

本报记者高波

在两座核电站之间，在700多米深的花岗岩下，正在挖一个巨大的洞来容纳一个12层的“水晶球”。从球上闪烁将揭示中微子的秘密。

广东正在建设的江门中微子实验装置是中国有史以来最复杂的高能物理实验装置。与目前国际上最好的同类设备相比，其规模大20倍，精度近一倍。

世界上最大的有机玻璃球

中微子被称为幽灵粒子，人类必须竭尽全力去探测它们。今天，物理学家期望江门地下中微子实验观测台(JUNO)能够精确测量中微子的一些基本特性。

中微子在宇宙中无处不在。每秒钟有3亿来自太阳的中微子穿过每个人的身体。中微子很难与其他物质发生反应，也很难穿越宇宙。现代中微子实验使用大量目标物质作为陷阱来提高捕捉中微子的概率。

JUNO的核心是一个中空的有机玻璃球，直径35.4米，厚度12厘米。它如此之大的原因是20，000吨液体(称为液体闪蒸)将作为目标物质倒入其中。

这是人类制造的最大的有机玻璃球。中国科学院高能物理研究所所长王曾告诉《科学日报》，世界上用于粒子物理的有机玻璃球要小20倍。水族馆的有机玻璃水箱也小得多。

这个水晶球的意思是用透明的介质把里面的液体和外面的水分开。中国科学院高能物理研究所的研究员曹骏说，有机玻璃球必须非常透明和坚固。

“一个12层的空球，就像一所房子，可能会倒塌。其他材料不能制造，而且很难使用有机玻璃。因为有机玻璃容易开裂。”曹骏说:“制造这种球没有国家标准。我们建立了自己的力学实验室，并制定了自己的一套标准。”

水晶球的准备工作已经准备好了。当实验大厅被挖掘出来时，它将被建在现场，因为几十米的球不能穿过隧道。

最大的地下人工洞穴

朱诺的前身是大亚湾中微子实验设施。他们都使用核裂变反应释放的大量中微子。不同的是，大亚湾核电站探测到了中微子。JUNO同时使用来自两个核电站和10个反应堆的中微子。

广东阳江核电站将建造6座反应堆，台山核电站将建造4座反应堆。朱诺离这两个地方都有53公里。

曹骏告诉记者，如果探测器和多个反应堆之间的距离不相等，中微子光谱中的小结构会相互抵消(就像正弦信号的波峰和波谷会相互抵消一样)。根据计算，探测器应该安装在一个矩形区域，宽200米，长2公里，距离两个核电站53公里。

53公里外，来自反应堆的中微子流将会减弱。因此，JUNO的重量增加了大亚湾探测器的1000倍。JUNO的大玻璃球将被浸没在一个装有30，000吨纯净水的水池中，并用钢架固定(以克服3，000吨的浮力)。圆柱形水池直径43.5米，深44米。水池上方是各种测量设施。

为了容纳这一切，需要一个直径50米、高70米的大厅。JUNO是在700多米的花岗岩山下设计的，用来屏蔽宇宙射线的干扰。

为此，JUNO正在山里挖掘全国最大的地下洞穴。这也带来了很多麻烦。隧道施工和大厅开挖都受到涌水的冲击，造成了土建工程的延误。项目组在灌浆堵水的同时抽水。他们不敢堵住所有的出水口，以避免因洞穴外部压力过大而导致坍塌的风险。

精心准备的液体

检测中微子的方式是，当中微子与质子碰撞时，它变成中子和正电子。正电子湮灭并发光。中子被加到原子核上，不稳定的原子核迅速分裂并发射伽马光子。因此，第一束光和第二束光是中微子碰撞的标志。

科学家需要三种性质来制备液体闪烁:有许多质子(为中微子碰撞创造机会)；特别透明(可以发出弱光)；尽量不要有放射性(避免发出无用的信号)。

在大亚湾实验中，中国科学家部署了当时世界上最好的液体闪光灯。在JUNO，他们改进了配方，闪存质量达到了新的高度。

这种液体闪蒸的主体是烷基苯，加上一些特殊成分。它比纯游泳池透明得多，光线穿过几十米，几乎没有衰减。

曹骏说，为了减少液体中的天然放射性杂质(如气态氩、氪、氡或固体铀),需要一系列工艺，包括氧化铝过滤、真空蒸馏、水提取和蒸汽汽提，这相当于“清洗和蒸汽处理”数万吨液体。

事实上，JUNO的有机玻璃球材料以及各种其他设备的材料都必须经过处理以消除放射性。

领会

JUNO在测量中微子时接收到大量无用的信号。水池和水池顶部的一些探测器专用于探测宇宙射线，以排除相关信号。

曹骏说，2万吨液体闪烁每天只能捕获60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子和90个太阳中微子。相比之下，尽管山脉阻挡导致宇宙射线强度降低了20万倍，但宇宙射线干扰信号仍然每天出现10万次。

JUNO拥有超过40，000只世界上最灵敏的眼睛——18，000只20英寸和26，000只3英寸光电倍增管。光电倍增管可以将微弱的光转换成电信号。由于JUNO要求极高的能量分辨率，以前的商用产品不符合标准。为此，国内多家企业和研究机构联合攻关，开发出了世界上检测效率最高、价格最低的产品。

光电倍增管的形状像大灯泡，内部有真空。在游泳池里泡多年是有风险的。科学家们认为，如果一个“灯泡”有一点裂纹，水将立即被吸入真空，并在空间中心反弹，形成冲击波。这种波极具破坏性，会引发连锁反应，摧毁其他光电倍增管。

为此，他们专门为光电倍增管设计了一个保护罩。即使它被损坏，水也不会冲进来形成冲击波。

“为了解决这些问题，喜欢物理的科学家可能会发现它不那么有趣，而且更复杂。但要取得更重要的科学成就，我们必须承受这些困难。”曹骏说。

在粒子物理的标准模型中，中微子没有质量，而中微子振荡表明它们有质量，这是标准模型之外的一种实验现象(暗物质是标准模型无法解释的另一个难题)。因此，中微子研究是对现有理论的突破。

JUNO可能会在2021年进行测试。它将高度确定地回答“中微子质量序列”这一关键问题，并精确地测量多个中微子参数，为物理建筑添砖加瓦。