JUNO探测器示意图 。 （中科院高能所供图）

新华社北京12月26日电（采访人员全晓书 王攀 荆淮侨）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 。 （中科院高能所供图）

“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 。 （中科院高能所供图）

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 。 分页标题

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 。 （中科院高能所供图）

“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 。

【中微子】中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜。“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 。 （中科院高能所供图）

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 。 ” 分页标题

【中微子】中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜。(文章原始标题为：中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜）

来源：(新华网)

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标题：【中微子】中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜