近日，我國重大科技基礎設施——江門中微子實驗建設進入收官階段。這個位于江門開平的大科學裝置深藏在地下700米，建成后將主要研究宇宙中的一種“幽靈粒子”——中微子。

　　探索物質世界的基本組成及相互作用是自然界最基本的科學問題之一，大科學裝置在其中起到重要作用。作為我國大科學工程建設在粵港澳大灣區的重大布局，江門中微子實驗以測量中微子質量順序為首要科學目標，同時也將深入研究大氣中微子、太陽中微子、地球中微子、超新星中微子等。

　　十年彈指一揮間。項目啟動近十年后，距離勝利的終點也越來越近了。近期，在江門中微子實驗位于地下700米的中心探測器內部，世界最大單體有機玻璃球全部建成。至此，探測器主體裝置基本建成，預計11月底完成全部安裝任務，并啟動超純水、液體閃爍體的灌裝，2025年8月正式運行取數，將運行約30年。

　　“接棒”大亞灣中微子實驗

　　2012年，一則引發國際物理學界震動的消息從中國大亞灣發出：人類首次發現中微子的第三種振蕩模式。

　　這次的“幽靈粒子捕手”，是中國科學院院士王貽芳和他所帶領的團隊。

　　中微子是構成物質世界最小的單元之一，幾乎不與任何物質發生相互作用，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。”來自中國科學院高能物理研究所的科學家衡月昆告訴南方+記者，21世紀初，中微子成為高能物理學的寵兒，相關實驗研究也取得了許多重大發現，包括發現三種中微子。

　　不過，中微子有一個特殊的性質，那就是它們經常“變身”，從一種類型轉變成另一種類型，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60年代、80年代即有跡象，當時稱作“太陽中微子之謎”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”模式一直未被發現，甚至有理論預言其根本不存在。

　　由于科學意義重大，2003年起，俄羅斯、法國、美國、日本、韓國等7國相繼提出8個相似的中微子實驗方案。中國科學院高能物理研究所的科研人員也在這一年提出設想，利用我國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩模式。

　　大亞灣中微子實驗是中國第一代大型中微子實驗，2011年正式運行。次年3月，大亞灣中微子實驗宣布發現中微子振蕩新模式，被《科學》雜志評選為2012年度十大科學突破之一。

　　在作出重大貢獻后，2020年12月12日，大亞灣中微子實驗裝置正式退役。不過，大亞灣中微子實驗的句號，并不是我國中微子研究的終點——250公里外的江門開平，新的“接棒者”——一個更為先進、規模更大的江門中微子實驗正在建設當中。

　　大亞灣中微子實驗和江門中微子實驗有什么不同？對此，衡月昆解釋，兩個實驗雖然都是研究中微子，但具體科學目標完全不同。“大亞灣中微子實驗的科學目標是利用核反應堆產生的中微子來測定中微子第三種振蕩模式，而江門中微子實驗要實現對中微子質量順序和中微子振蕩參數的精確測量。”

　　故事未完待續。現在，全世界的目光都聚焦在江門中微子實驗上。

　　有望率先測量中微子質量順序

　　走進江門中微子實驗辦公樓，白墻上的十幾個大字映眼而入——“下一個挑戰：中微子質量順序”。

　　從接棒大亞灣中微子實驗的那一刻起，王貽芳與他的團隊就瞄準了這個重要謎題。

　　在諸多不確定性中，項目團隊首先要回答一個問題：捕獲“幽靈粒子”中微子，哪里才是最合適的地點？

　　答案出乎意料地很快就確定了：位于江門開平金雞鎮的一座深山里。

　　為什么選擇江門？對此，衡月昆解釋，核反應堆是地球上產生中微子最集中的位置。江門市距離陽江、臺山兩處核電站均為53千米，兩大反應堆全面建成后總功率居世界第一，可獲得雙倍的實驗樣本。“可以說，這里是目前全球最適合做反應堆中微子實驗的地方之一。”

中心探測器。劉悅湘 攝

　　他進一步解釋，建設江門中微子實驗裝置主要有兩個目標。“一個是測中微子的質量順序，誰能最先測出，誰就將成為最先揭開中微子奧秘的人；另一個就是要推進我國尖端技術發展，使光電倍增管、有機玻璃、傳感器等技術和工業制造領域沖到國際先進水平。”

　　另一方面，大科學裝置也是高層次科技人才的“蓄水池”。2014年7月，江門中微子國際合作組在北京成立。截至發稿前，已有來自法國、德國、意大利、俄羅斯、比利時、泰國、智利等17個國家和地區的74家科研機構共700余位科學家、工程師參加項目建設。

　　立足全球科技競爭，江門中微子實驗裝置的建設意義非凡。目前，中國、美國、日本都正在建設同樣類型的中微子實驗室。與美、日相比，江門中微子實驗室將最早建成，也最有希望率先測得中微子的質量順序。

　　“借助這一大科學裝置，廣東將更好鏈接國際高端創新資源、集聚全球頂尖研究團隊。”中國科學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，放眼全球，江門中微子實驗裝置設計、建設等多個領域處于世界領先水平，將為世界探索前沿科學問題、攻克關鍵核心技術提供強有力的研究平臺，是可依托的重要戰略科技力量。

　　實驗關鍵裝備安裝進入尾聲

　　如今，在開平金雞鎮打石山地下700米的實驗室大廳內，一個巨大的球形探測器已經基本建成：一個巨大的球狀不銹鋼網架，被牢牢固定在直徑43.5米、深44米的圓柱形“水桶”里，數十名工人正在專用的工作平臺上，小心翼翼地進行安裝收尾工作。

　　中國科學院高能物理研究所高級工程師錢小輝告訴記者，實驗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‘小蠻腰’放進地下，塔尖離山體表面還有100米。”

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

　　從上空俯瞰，江門中微子實驗裝置的主體就像一只泡在水中的西瓜，整個球體構成了世界上能量精度最高、規模最大的液體閃爍體探測器。錢小輝介紹，探測器最外側是一個國內最大的單體不銹鋼結構，整個不銹鋼網架由12萬套高強螺栓固定。

　　不銹鋼網架內部是世界最大的單體有機玻璃結構。江門中微子實驗有機玻璃安裝項目經理、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進入尾聲。

20寸的光電倍增管。劉悅湘 攝

　　除了有機玻璃球，想捕捉中微子信號，項目還要依靠一個重要裝置——光電倍增管。

　　錢小輝介紹，超過4.5萬個光電倍增管正在加緊安裝中。“它相當于實驗的‘眼睛’，密布在不銹鋼網架內側，面朝有機玻璃球，時刻‘盯緊’玻璃球里面發出的光信號，將中微子被俘獲時發出的光信號轉換成電信號，并放大1000萬倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計算機分析處理。”

　　值得一提的是，以往這種設備都要從日本進口，每個售價數萬元。“但這次實驗我們與江蘇一家企業合作實現了國產化，單個光電倍增管的價格大大降低，打破了國外30多年的壟斷。”錢小輝介紹。

　　在未來幾個月內，有機玻璃球、光電倍增管將全部完成安裝。屆時，科學家就可以通過球體頂端設計好的“煙囪”，給玻璃球內灌滿2萬噸可以讓中微子“現身”的液體，并在玻璃球外的“大桶”里灌滿35000噸超純凈水，用來屏蔽巖石放射性以及甄別宇宙線引起的假中微子信號。

　　這也意味著，江門中微子實驗正式運行取數將進入倒計時。人類成功捕獲“幽靈粒子”，也將從夢想走向現實。

　　策劃：羅彥軍 林煥輝 陳戈 胡念飛

　　統籌：王會赟 張志超 徐勉 王詩堃

　　本期執行：潘曉晨 余佩

　　撰文：南方+記者 董有逸