近日，我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)進(jìn)入收官階段。這個(gè)位于江門開平的大科學(xué)裝置深藏在地下700米，建成后將主要研究宇宙中的一種“幽靈粒子”——中微子。

　　探索物質(zhì)世界的基本組成及相互作用是自然界最基本的科學(xué)問題之一，大科學(xué)裝置在其中起到重要作用。作為我國(guó)大科學(xué)工程建設(shè)在粵港澳大灣區(qū)的重大布局，江門中微子實(shí)驗(yàn)以測(cè)量中微子質(zhì)量順序?yàn)槭滓茖W(xué)目標(biāo)，同時(shí)也將深入研究大氣中微子、太陽(yáng)中微子、地球中微子、超新星中微子等。

　　十年彈指一揮間。項(xiàng)目啟動(dòng)近十年后，距離勝利的終點(diǎn)也越來(lái)越近了。近期，在江門中微子實(shí)驗(yàn)位于地下700米的中心探測(cè)器內(nèi)部，世界最大單體有機(jī)玻璃球全部建成。至此，探測(cè)器主體裝置基本建成，預(yù)計(jì)11月底完成全部安裝任務(wù)，并啟動(dòng)超純水、液體閃爍體的灌裝，2025年8月正式運(yùn)行取數(shù)，將運(yùn)行約30年。

　　“接棒”大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

　　2012年，一則引發(fā)國(guó)際物理學(xué)界震動(dòng)的消息從中國(guó)大亞灣發(fā)出：人類首次發(fā)現(xiàn)中微子的第三種振蕩模式。

　　這次的“幽靈粒子捕手”，是中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳和他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)。

　　中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最小的單元之一，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，不容易被捕捉到。“因此，中微子是人類迄今了解最少的一種基本粒子，存在著諸多未解之謎。”來(lái)自中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家衡月昆告訴南方+記者，21世紀(jì)初，中微子成為高能物理學(xué)的寵兒，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也取得了許多重大發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)三種中微子。

　　不過(guò)，中微子有一個(gè)特殊的性質(zhì)，那就是它們經(jīng)常“變身”，從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，即中微子振蕩。衡月昆解釋，原則上三種中微子之間相互“變身”，兩兩組合共有三種模式。其中兩種模式分別在上世紀(jì)60年代、80年代即有跡象，當(dāng)時(shí)稱作“太陽(yáng)中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。

3寸的光電倍增管。劉悅湘 攝

　　然而，第三種中微子“變身”模式一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在。

　　由于科學(xué)意義重大，2003年起，俄羅斯、法國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等7國(guó)相繼提出8個(gè)相似的中微子實(shí)驗(yàn)方案。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科研人員也在這一年提出設(shè)想，利用我國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來(lái)尋找中微子的第三種振蕩模式。

　　大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)是中國(guó)第一代大型中微子實(shí)驗(yàn)，2011年正式運(yùn)行。次年3月，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)宣布發(fā)現(xiàn)中微子振蕩新模式，被《科學(xué)》雜志評(píng)選為2012年度十大科學(xué)突破之一。

　　在作出重大貢獻(xiàn)后，2020年12月12日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置正式退役。不過(guò)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的句號(hào)，并不是我國(guó)中微子研究的終點(diǎn)——250公里外的江門開平，新的“接棒者”——一個(gè)更為先進(jìn)、規(guī)模更大的江門中微子實(shí)驗(yàn)正在建設(shè)當(dāng)中。

　　大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)和江門中微子實(shí)驗(yàn)有什么不同？對(duì)此，衡月昆解釋，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然都是研究中微子，但具體科學(xué)目標(biāo)完全不同。“大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來(lái)測(cè)定中微子第三種振蕩模式，而江門中微子實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測(cè)量。”

　　故事未完待續(xù)。現(xiàn)在，全世界的目光都聚焦在江門中微子實(shí)驗(yàn)上。

　　有望率先測(cè)量中微子質(zhì)量順序

　　走進(jìn)江門中微子實(shí)驗(yàn)辦公樓，白墻上的十幾個(gè)大字映眼而入——“下一個(gè)挑戰(zhàn)：中微子質(zhì)量順序”。

　　從接棒大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的那一刻起，王貽芳與他的團(tuán)隊(duì)就瞄準(zhǔn)了這個(gè)重要謎題。

　　在諸多不確定性中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首先要回答一個(gè)問題：捕獲“幽靈粒子”中微子，哪里才是最合適的地點(diǎn)？

　　答案出乎意料地很快就確定了：位于江門開平金雞鎮(zhèn)的一座深山里。

　　為什么選擇江門？對(duì)此，衡月昆解釋，核反應(yīng)堆是地球上產(chǎn)生中微子最集中的位置。江門市距離陽(yáng)江、臺(tái)山兩處核電站均為53千米，兩大反應(yīng)堆全面建成后總功率居世界第一，可獲得雙倍的實(shí)驗(yàn)樣本。“可以說(shuō)，這里是目前全球最適合做反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的地方之一。”

中心探測(cè)器。劉悅湘 攝

　　他進(jìn)一步解釋，建設(shè)江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置主要有兩個(gè)目標(biāo)。“一個(gè)是測(cè)中微子的質(zhì)量順序，誰(shuí)能最先測(cè)出，誰(shuí)就將成為最先揭開中微子奧秘的人；另一個(gè)就是要推進(jìn)我國(guó)尖端技術(shù)發(fā)展，使光電倍增管、有機(jī)玻璃、傳感器等技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域沖到國(guó)際先進(jìn)水平。”

　　另一方面，大科學(xué)裝置也是高層次科技人才的“蓄水池”。2014年7月，江門中微子國(guó)際合作組在北京成立。截至發(fā)稿前，已有來(lái)自法國(guó)、德國(guó)、意大利、俄羅斯、比利時(shí)、泰國(guó)、智利等17個(gè)國(guó)家和地區(qū)的74家科研機(jī)構(gòu)共700余位科學(xué)家、工程師參加項(xiàng)目建設(shè)。

　　立足全球科技競(jìng)爭(zhēng)，江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)意義非凡。目前，中國(guó)、美國(guó)、日本都正在建設(shè)同樣類型的中微子實(shí)驗(yàn)室。與美、日相比，江門中微子實(shí)驗(yàn)室將最早建成，也最有希望率先測(cè)得中微子的質(zhì)量順序。

　　“借助這一大科學(xué)裝置，廣東將更好鏈接國(guó)際高端創(chuàng)新資源、集聚全球頂尖研究團(tuán)隊(duì)。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、開平中微子研究中心主任李小男說(shuō)，放眼全球，江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，將為世界探索前沿科學(xué)問題、攻克關(guān)鍵核心技術(shù)提供強(qiáng)有力的研究平臺(tái)，是可依托的重要戰(zhàn)略科技力量。

　　實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵裝備安裝進(jìn)入尾聲

　　如今，在開平金雞鎮(zhèn)打石山地下700米的實(shí)驗(yàn)室大廳內(nèi)，一個(gè)巨大的球形探測(cè)器已經(jīng)基本建成：一個(gè)巨大的球狀不銹鋼網(wǎng)架，被牢牢固定在直徑43.5米、深44米的圓柱形“水桶”里，數(shù)十名工人正在專用的工作平臺(tái)上，小心翼翼地進(jìn)行安裝收尾工作。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所高級(jí)工程師錢小輝告訴記者，實(shí)驗(yàn)室的位置距離其正上方的山頂有700米距離。“如果把廣州地標(biāo)‘小蠻腰’放進(jìn)地下，塔尖離山體表面還有100米。”

　　為什么要建這么深？“由于地面上有很強(qiáng)的宇宙射線，會(huì)干擾對(duì)中微子的探測(cè)。700米的山體和巖層就相當(dāng)于過(guò)濾器，可將宇宙射線的強(qiáng)度大幅降低，讓我們得到純凈的中微子信號(hào)。”錢小輝解釋。

　　從上空俯瞰，江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置的主體就像一只泡在水中的西瓜，整個(gè)球體構(gòu)成了世界上能量精度最高、規(guī)模最大的液體閃爍體探測(cè)器。錢小輝介紹，探測(cè)器最外側(cè)是一個(gè)國(guó)內(nèi)最大的單體不銹鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)不銹鋼網(wǎng)架由12萬(wàn)套高強(qiáng)螺栓固定。

　　不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)部是世界最大的單體有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)。江門中微子實(shí)驗(yàn)有機(jī)玻璃安裝項(xiàng)目經(jīng)理、江蘇湯臣新材料科技有限公司總工程師張高峰介紹，目前玻璃球的安裝已經(jīng)進(jìn)入尾聲。

20寸的光電倍增管。劉悅湘 攝

　　除了有機(jī)玻璃球，想捕捉中微子信號(hào)，項(xiàng)目還要依靠一個(gè)重要裝置——光電倍增管。

　　錢小輝介紹，超過(guò)4.5萬(wàn)個(gè)光電倍增管正在加緊安裝中。“它相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)的‘眼睛’，密布在不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)側(cè)，面朝有機(jī)玻璃球，時(shí)刻‘盯緊’玻璃球里面發(fā)出的光信號(hào)，將中微子被俘獲時(shí)發(fā)出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并放大1000萬(wàn)倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計(jì)算機(jī)分析處理。”

　　值得一提的是，以往這種設(shè)備都要從日本進(jìn)口，每個(gè)售價(jià)數(shù)萬(wàn)元。“但這次實(shí)驗(yàn)我們與江蘇一家企業(yè)合作實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，單個(gè)光電倍增管的價(jià)格大大降低，打破了國(guó)外30多年的壟斷。”錢小輝介紹。

　　在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)，有機(jī)玻璃球、光電倍增管將全部完成安裝。屆時(shí)，科學(xué)家就可以通過(guò)球體頂端設(shè)計(jì)好的“煙囪”，給玻璃球內(nèi)灌滿2萬(wàn)噸可以讓中微子“現(xiàn)身”的液體，并在玻璃球外的“大桶”里灌滿35000噸超純凈水，用來(lái)屏蔽巖石放射性以及甄別宇宙線引起的假中微子信號(hào)。

　　這也意味著，江門中微子實(shí)驗(yàn)正式運(yùn)行取數(shù)將進(jìn)入倒計(jì)時(shí)。人類成功捕獲“幽靈粒子”，也將從夢(mèng)想走向現(xiàn)實(shí)。

　　策劃：羅彥軍 林煥輝 陳戈 胡念飛

　　統(tǒng)籌：王會(huì)赟 張志超 徐勉 王詩(shī)堃

　　本期執(zhí)行：潘曉晨 余佩

　　撰文：南方+記者 董有逸