為什么要在那么深的地方尋找“幽靈粒子”

我是中科院高能物理研究所特聘青年研究員趙潔，負責江門中微子實驗的本底控制工作。這個問題提問的角度恰好是我負責的內(nèi)容，下面我來回答一下這個問題并介紹一下中微子探測實驗。

中微子，這個被稱為“幽靈粒子”的基本粒子，因其極弱的相互作用力和極強的穿透性，在宇宙中幾乎“來無影去無蹤”。整個地球?qū)λ鼇碚f幾乎是透明的，它能夠輕松穿越行星、恒星甚至整個星系而不被阻擋。太陽中心發(fā)生的核聚變也釋放大量的中微子，計算表明，每秒鐘大約有上百萬億顆太陽中微子穿過我們身體揚長而去，然而我們并沒有被打成“篩子”

正是這樣一個難以捉摸的粒子，卻是構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子之一，并且共有三種類型（即“味”）：電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們不僅在微觀粒子物理中占據(jù)重要地位，更與宇宙的起源、星體的演化甚至物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱之謎息息相關(guān)。

中微子極難與物質(zhì)發(fā)生相互作用，要想成功探測到它們，必須滿足三個基本條件：源足夠強、探測器足夠大、干擾足夠低。這三點構(gòu)成了中微子實驗設(shè)計的核心邏輯。

源足夠強：擇核電站而居

中微子的來源非常廣泛，包括太陽、超新星爆發(fā)、地球內(nèi)部放射性衰變以及核反應(yīng)堆等。其中，核反應(yīng)堆是人類目前所能控制的最強的人工中微子源。例如，一個典型的核電站反應(yīng)堆每秒可產(chǎn)生約35萬億億個中微子。

理論上，探測器離反應(yīng)堆越近，單位時間內(nèi)能捕獲到的中微子就越多。我國曾成功開展的大亞灣中微子實驗，就是將探測器布置在距反應(yīng)堆僅幾百米至兩公里的位置，成功發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式，轟動國際物理學界。

而江門中微子實驗的首要目標，則是要確定三種中微子的質(zhì)量順序，即解決“誰輕誰重”的問題。理論預(yù)測，要實現(xiàn)這一目標，探測器需放置在距離反應(yīng)堆約53公里處。雖然在這個距離上中微子通量大幅下降，但振蕩效應(yīng)對質(zhì)量差異的敏感度最高，這就要求探測器必須做得更大，因此，江門實驗探測器體積做到了大亞灣的1000倍。

巧合的是，江門實驗室所在的打石山恰好位于陽江和臺山兩座核電站連線中垂線上，與兩者的距離均為53公里，構(gòu)成了一個理想的等腰三角形。陽江和臺山核電站的總功率位居世界前列，反應(yīng)堆功率越高，產(chǎn)生的中微子流量就越大，這為實驗提供了充足的數(shù)據(jù)樣本，有助于在更短時間內(nèi)獲得高精度的測量結(jié)果。計算表明，江門中微子探測器預(yù)計每天可捕獲約60個中微子事件。

探測器足夠大：兩萬噸液閃與全球最大有機玻璃球

江門中微子實驗的核心探測器是一個巨大的液體閃爍體探測器，其中心是2萬噸液體閃爍體（簡稱“液閃”）。液閃是一種有機化合物，主要成分是烷基苯，其分子中的氫核成為中微子發(fā)生反應(yīng)的主要目標。

盛放這兩萬噸液閃的容器是一個直徑達35.4米的有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）球。該球體被安置在一個直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)，通過數(shù)百根撐桿精密固定。在不銹鋼網(wǎng)架上，安裝了約4.5萬只高靈敏度光電倍增管（PMT），用于捕捉中微子反應(yīng)發(fā)出的微弱光子。

圖：工人組裝液體閃爍體探測器時的情景，這樣能直觀看出它的巨大。

當極少數(shù)的中微子與液閃中的質(zhì)子發(fā)生反β衰變反應(yīng)時，會產(chǎn)生正電子和中子。正電子迅速湮滅發(fā)出快信號，中子則被捕獲后發(fā)出延遲信號。這兩次信號構(gòu)成一個符合事例，從而顯著排除偶然本底。整個反應(yīng)過程會發(fā)出微弱的光子，這些光子被周圍的光學傳感器捕獲，從而“看到”中微子的蹤跡。

干擾足夠低：深地實驗與極致潔凈

中微子信號極其微弱，任何外界干擾都可能淹沒真正的信號。因此，必須將本底噪聲降到最低。用個比喻來講就是“消除噪聲，靜候‘幽靈’”

圖：直徑達35.4米的巨大液體閃爍體探測器。

1、深地實驗室：屏蔽宇宙射線

宇宙射線是來自外太空的高能粒子流，進入大氣層后會產(chǎn)生繆子（μ子）等次級粒子。這些粒子如進入探測器，會產(chǎn)生大量類似中微子的信號，造成嚴重干擾。將實驗室建在地下深處，利用巖層屏蔽宇宙射線，是國際通行做法。江門實驗大廳位于地下700米深處，巖石覆蓋將宇宙射線干擾降低了約10萬倍，為捕捉中微子創(chuàng)造了“安靜”的環(huán)境。

2、放射性本底控制：極致潔凈要求

探測器本身及周圍環(huán)境中自然存在的放射性元素（如鈾、釷、鉀等）會持續(xù)衰變，發(fā)出α、β、γ射線，這些都會形成偽信號。因此，江門實驗對所有材料的放射性純度提出了極為苛刻的要求。液閃的制備和儲存必須在超高純度環(huán)境下進行。項目團隊設(shè)計了四套大型純化系統(tǒng)，每套高達十米，通過多層過濾和純化工藝，確保液閃達到超純標準。

有機玻璃球的清潔同樣關(guān)鍵。在建設(shè)的兩年半中，球體表面始終覆有保護膜，直至安裝完成。在注入液閃之前，團隊還使用3D噴洗系統(tǒng)對球內(nèi)進行全面清洗，確保內(nèi)表面達到光學與潔凈要求。

甚至不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)也避免焊接——因為焊接會引入污染。整個網(wǎng)架使用12萬套高強度螺栓螺母組裝而成，像“搭積木”一樣實現(xiàn)毫米級精度安裝，既保證了結(jié)構(gòu)強度，又控制了材料本底。

實驗大廳空氣中的塵埃放射性水平比液閃要求高出約一萬億倍。通過嚴格的潔凈控制，團隊在12萬立方米、巖壁裸露的地下空間實現(xiàn)了萬級潔凈環(huán)境，保障了探測器的高質(zhì)量安裝。

此外，地下空間通風若不足，放射性氣體（如氡氣）易累積，不僅污染探測器，還危害人員健康。團隊通過優(yōu)化通風設(shè)計，將地下空氣中氡濃度降低至原來的十分之一，達到安全標準。

江門中微子實驗從2008年提出構(gòu)想，到2025年完成液閃灌注并開始正式取數(shù)，歷時整整17年。它不僅是目前全球最大的液體閃爍體探測器，也是中國基礎(chǔ)科學領(lǐng)域最具競爭力的重大實驗設(shè)施之一。

未來十年，JUNO將收集來自反應(yīng)堆、太陽、地球乃至遙遠超新星爆發(fā)的中微子，有望在中微子質(zhì)量順序、精確振蕩參數(shù)、超新星物理、地球物理等領(lǐng)域帶來突破性發(fā)現(xiàn)。

來源：騰訊太空

編輯：小赫Amy

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