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2019-03-20 17:15:43
12層樓高的水晶球逼幽靈粒子現身
2019-03-20 17:15:43 來源: 科技日報
兩座核電站之間，700多米深的花崗巖下，正開掘一個巨大的空洞，容納一個12層樓高的水晶球。這個水晶球，將浸泡在一個灌有3萬噸純凈水的池里，被鋼架栓牢。圓柱體的水池，直徑43.5米，深44米。水池上方是各種測量設施。
中科院高能物理所供圖
兩座核電站之間，700多米深的花崗巖下，正開掘一個巨大的空洞，容納一個12層樓高的“水晶球”。來自球中的一次次閃爍，將吐露中微子的身世秘密。
位于廣東的正在建設的江門中微子實驗裝置，是中國前所未有的最復雜的高能物理實驗裝置。與當前最好的國際同類裝置相比，它的規模大20倍，精度提高近一倍。
世界最大的有機玻璃球
中微子被稱為幽靈粒子，為偵測它，人類不得不大費周章。如今，江門地下中微子實驗觀測站(JUNO)被物理學家寄予厚望：精確地測量中微子的一些基本特性。
宇宙里到處都是中微子。每秒鐘就有3億億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。中微子很難跟其他物質反應，穿行宇宙如入無物之陣。現代的中微子實驗都會用巨量的靶物質作為陷阱，提高捕獲中微子的幾率。
JUNO的核心，是一個直徑35.4米，厚12厘米的空心有機玻璃球。造這么大，是因為里面要灌上2萬噸的液體(叫做液閃)作為靶物質。
這是人類造過的最大的有機玻璃球。中科院高能物理所所長王貽芳曾告訴科技日報記者，目前世界上用于粒子物理的有機玻璃球，比它小20倍;水族館的有機玻璃水箱也比它小得多。
這個水晶球的意義，是用透明的介質，分開里面的液閃和外面的水。中科院高能物理所研究員曹俊說，這個有機玻璃球必須非常透明，同時結實。
“12層高的空球，就像房子一樣可能垮塌。其他材料造不出來，用有機玻璃也很難。因為有機玻璃很容易裂。”曹俊說，“沒有造這種球的國家標準。我們自己建造了一個力學實驗室，自己做出一套標準。”
這個水晶球的準備工作已經就緒。當實驗大廳開掘完畢后，它將在現場搭建, 因為幾十米的球無法通過隧道。
最大的地下人工洞穴
JUNO的前輩是大亞灣中微子實驗裝置。它們都利用了核裂變反應釋放的海量中微子。不同的是，大亞灣偵測的是一個核電站的中微子;而JUNO則同時利用兩個核電站，10個反應堆的中微子。
位于廣東的陽江核電站將建6個反應堆，臺山核電站將建4個反應堆。JUNO距離兩者都是53公里。
曹俊告訴記者，如探測器到多個反應堆的距離不相等，中微子能譜上的小結構就會互相抵消(就像正弦信號的波峰波谷會抵消)。根據計算，應在距離兩個核電站均為53公里的一個寬200米長2公里的矩形區域設置探測器。
53公里很遠，從反應堆來的中微子流會變弱。所以，JUNO與大亞灣探測器相比，靶物質增重一千倍。JUNO的大玻璃球，將浸泡在一個灌有3萬噸純凈水的池里，被鋼架栓牢(以克服3000噸的浮力)。圓柱體的水池，直徑43.5米，深44米。水池上方是各種測量設施。
容納這一切需要一個直徑50米、高70米的巨型大廳。JUNO被設計在700多米的花崗巖山體下，以屏蔽宇宙射線干擾。
為此，JUNO正在山里鑿出國內最大的地下洞穴。這也帶來了很多麻煩，打隧道和開挖大廳，都碰上了涌水，這使土建工程出現延期問題。項目組一邊灌漿堵水，一邊抽水。他們不敢全部堵住出水點，避免洞穴外圍承壓太大帶來垮塌風險。
精心調配的液體
中微子是這樣被偵測到的：一個中微子撞上了一個質子，就化為一個中子和一個正電子。正電子隨即湮滅放出一道光。中子則加入某個原子核，不穩定的原子核很快分裂并放出γ光子。因此，一先一后兩道光，就是中微子碰撞的跡象。
科學家制備液閃，要它具備三個性質：質子特別多(創造機會讓中微子撞);特別透明(微光能射出去);盡量不帶放射性(避免發出沒用的信號)。
大亞灣實驗中，中國科學家調配出了當時世界上最好的液閃。而在JUNO，他們改進了配方，液閃質量達到了新高。
這種液閃主體是烷基苯，加上一些特殊的配料。它比純凈的游泳池還要透明得多，光線穿過幾十米，衰減不大。
曹俊說，為降低液體天然的放射性雜質(比如氣態的氬、氪、氡，或固態的鈾)，要通過三氧化二鋁過濾、減壓蒸餾、水萃取、蒸汽剝離一系列工序，相當于把幾萬噸的液體“洗一遍、蒸一遍”。
實際上，JUNO的有機玻璃球材料，以及其他各種器材的材料，也要經過處理以消除放射性。
看到微光
JUNO在測量中微子的同時，也會接收到大量的無用信號。水池和水池頂部的一些探測器，就是用來專門探測宇宙射線，以將相關信號排除出去。
曹俊介紹說， 2萬噸液閃每天只能捕獲到60個反應堆中微子、4個大氣中微子、1個地球中微子、以及90個太陽中微子。與之相比，盡管山體遮擋讓宇宙射線強度降低20萬倍，宇宙射線干擾信號每天仍有10萬次。
JUNO裝了四萬多只世界上最靈敏的眼睛——18000個20英寸的和26000個3英寸的光電倍增管。光電倍增管可以將微弱的光轉化為電信號。由于JUNO要求極高的能量分辨率，之前的商業產品達不到標準。為此國內幾家企業和研究所聯合攻關，已經研制出探測效率世界最高而且便宜的產品。
光電倍增管外形像大燈泡，內部是真空的，多年泡在水池里是有風險的。科學家考慮到：如果某個“燈泡”裂一點縫，水瞬間吸入真空，在空間中心反彈，會形成激波。這種波破壞力極大，會引發連鎖反應，毀掉其他的光電倍增管。
為此，他們給光電倍增管特制了一種保護罩，即使受損，水也不會急速涌入形成激波。
“解決這些問題，喜歡物理的科學家可能覺得不那么好玩，比較繁瑣。但要做出比較重要的科學成就，必須要承擔這些麻煩。”曹俊說。
在粒子物理標準模型中，中微子是沒有質量的，而中微子振蕩表明它具有質量，這是一個超出標準模型的實驗現象(暗物質是另一個標準模型無法解釋的謎題)。所以中微子研究是現有理論的一個突破口。
JUNO可能在2021年試運行。它將以相當高的確信度，回答至關重要的“中微子質量順序”的問題，并精確測量多個中微子參數，為物理學大廈添上重要的一塊磚。(高博)
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