中国科学家在广东建造超大“水晶球”捕捉宇宙“幽灵粒子”

JUNO探测器示意图。 本文图片 中科院高能所提供

在一个12层楼高的玻璃球里注入透明液体，中国科学家打算造一个全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“幽灵粒子”——中微子，从而找到通向物理新世界的大门。

他们将把一个直径达35.4米的有机玻璃球安装在广东省江门市西南部的打石山中。施工人员已经在700多米深的花岗岩下方挖出一个空洞，作为未来的实验大厅。

“我们一直在不停地抽排地下水。现在，水位已明显降低，相信很快就能排干净。”江门中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳近期介绍项目进展时说。

江门中微子实验（JUNO）于2015年1月开工建设。若顺利，明年年中，施工人员将开始在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

这是中国最复杂的高能物理实验装置，预计2022年建成。与当前最好的国际同类设备相比，它的规模要大20倍，精度提高近一倍。

JUNO规划图。

“幽灵粒子”

中微子是组成自然界的一种基本粒子，在宇宙中广泛存在。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如太阳发光、超新星爆发、宇宙射线、核反应堆发电等。

中微子也是目前最神秘的粒子之一。它们不带电，质量极小，几乎不与其他物质发生相互作用。它们如幽灵一般穿透地球，来无影去无踪，每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。

正因为中微子不会像光子、电子一样，与其他粒子相互作用，它们所携带的关于恒星、黑洞乃至整个宇宙的“核心秘密”，吸引着好奇的人类。

它们可以直接穿过剧烈“燃烧”的恒星内部而不被吞噬，成为人类了解恒星中心核反应过程的媒介；它们在宇宙诞生之初就已存在，且不像光子在宇宙大爆炸38万年之后才结束和其他粒子相互作用开始传播，所以也是研究宇宙最早期历史的载体。

上世纪50年代，科学家首次观测到中微子的存在，后来又发现中微子其实有三种，分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子，它们在飞行时可以“一人分饰三角”，在三种类别之间相互转化，这也被称作中微子振荡。

在这个领域，中国是后来者，但做出了重要贡献。2012年，大亚湾中微子实验室宣布发现新的中微子振荡模式，成为中微子研究的一个重要里程碑。

但是，中微子仍有太多未解之谜。江门中微子实验副发言人、中科院高能物理所研究员曹俊指出，中微子很难探测，很多实验研究进展有限，就是因为捕捉到的中微子信号太少，数据太少。

JUNO地理位置。 

超级玻璃球

探测中微子，一种办法是通过液体闪烁体探测器来捕捉它们产生的信号。

科研人员在有机玻璃球里注入透明的特制液体——液体闪烁体（简称“液闪”），当中微子穿过球体时，会有一定的几率和液体里密布的氢核发生反应。每一次反应产生一个正电子和一个中子，正电子随即湮灭释放出一个快信号，中子则在反复碰撞后被其他氢核吸收并释放出一个慢信号。一前一后两次闪烁，就透露了中微子的行踪。

为了提高探测灵敏度，JUNO的选址经过精心测算。实验室建在地下，以屏蔽宇宙射线的干扰；距离阳江核电站和台山核电站都是53公里，可以同时利用两者释放的海量中微子，并画出更精细的中微子能谱图。

但是，较长的距离也会造成中微子流的“稀释”，就好比放烟花，火花四散，越往外密度越低。JUNO比目前世界上最大的中微子液闪探测器——日本的KamLAND探测器还要大20倍，后者注入了1000吨液闪，而JUNO要容纳两万吨液闪，才能尽可能多地“俘获”中微子。

“探测器越大，捕捉到的信号就越多，数据量就越大，就越能看到别人所看不到的。”曹俊说。

根据设计方案，JUNO会由265块有机玻璃板现场组装而成，并被钢架固定在一个装有约4万吨纯净水的大池中。

这么大的玻璃球，给工程建设带来了挑战。江门中微子实验项目组先后请来几个知名力学团队帮忙设计，并搭建了专门实验室，测试有机玻璃的力学性能和老化情况，还造了一个直径3米的小球来验证计算和测试是否准确。

“经过实验证明无误后，我们才把这套算法用来设计大的探测器。我们要确保它能运行30年。”曹俊说。

为确保12层楼高大球的设计安全无误，科研人员先造出直径3米的小球，进行模拟实验。图为小球模型吊装。

“捕获”微光

仅仅把探测器造很大，还不够。中微子引发的闪烁非常微弱，肉眼无法看到。科研人员还要调配出极其透明的液闪，并在玻璃球外安装数万个光电倍增管，才能让微光“显形”。

液闪主体为烷基苯，是洗衣粉的原材料。“我们在南京找到了符合条件的厂家，生产出特制的液体，直接导入罐装车，运往南方的实验室。”曹俊说。

在注入玻璃球前，为了清除运输过程带来的污染，科研人员还要把液体又“洗”又“蒸”：用三氧化二铝过滤，吸附杂质；蒸馏，去除光学干扰和天然放射性；往液体里加两种发光物质，再用超纯水洗一遍；最后，进行蒸汽剥离和水萃取。

“这可以说是世界上最透明的液体，多么微弱的光都可以透过。”曹俊说。

穿过液闪的光子，随即会被密布在球外的2万个20英寸光电倍增管和2万5千个3英寸光电倍增管“捕获”。这些光电倍增管就像一只只凸起的眼睛，可以看到任何信号微澜。

科研人员正在测试光电倍增管性能。

20英寸光电倍增管制造难度很大，其中15000个由国内研发生产。“最初，JUNO打算全部从国外采购，但当时只有日本一家公司生产，光这一项就要花费整个项目40%的经费，而且信号收集效率也达不到要求。于是，我们决定自主研发。”JUNO光电器件性能标定实验室的朱瑶回忆说。

从2009年成立至今，朱瑶所在的实验室奋斗了10年，钻研出一套和国外产品完全不同的技术方案。

“光子进入光电倍增管，会被转化成电子，经过微通道板多次倍增后，一个电子可以变成一千万个电子，信号就被放大了。我们研发的微通道板，是将一根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一起，然后切片，不仅倍增效果好，收集效率高，还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

未来，这些被放大的光电信号或许可以帮助科学家解开一个重要的谜题——中微子的质量顺序，即三种中微子哪个最重。

“中微子的质量顺序是自然界的基本参数之一，影响宇宙的演化进程。知道了质量顺序，可以为其他研究铺路。”曹俊说，“理论家一直试图建立统辖宇宙万物的大统一理论，质量顺序是检验这些理论是否正确的钥匙。”

（原标题 中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜）