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在地下700米深处探索宇宙奥秘

2022-02-21 来源:南方杂志社 作者:史成雷

江门中微子实验站的项目团队完成多项技术攻关,实现了多个“世界之最”。图为工人在地下700米处 挖好的巨大洞室内安装实验设备

粒子物理是当前最重要的前沿科学之一。江门中微子实验站的建设,将奠定中国中微子研究领域的国际领先地位,为粤港澳大湾区综合性国家科学中心建设提供重要支持

◎《南方》杂志记者/史成雷 发自江门

◎本文责编/郭芳

以阳江核电站、台山核电站为中心,分别画一个半径53公里的圆圈,其在陆地上的交会点就位于江门开平市金鸡镇。

近日,《南方》杂志记者走进这个交会点——江门中微子实验站。只见群山环绕,周围的环境格外安静。乘着缆车,在幽闭黑暗的环境里快速下降5分多钟,就来到地下700米左右。从缆车出来,沿着坑洞再走数百米,转过几个弯,一个巨大的圆形洞室呈现在记者面前。

中科院高能物理研究所研究员、开平中微子研究中心主任李小男介绍,这个洞室是迄今世界最大的实验洞室。底部呈圆形,底深距穹顶达70米左右,水平跨度达50米。站在距底部40多米高的平层往下看,数十名工人正在紧张施工,安装设备。

粒子物理是当前最重要的前沿科学之一。其中,中微子研究是国际粒子物理研究的热点。这个深入地下700米的巨大实验装置,便是为了捕捉和测量一种极小极轻(质量小于电子的百万分之一)的物质世界基本粒子——中微子。

今年的广东省政府工作报告提出,强化战略科技力量。其中包括加快江门中微子实验站等建设,开工建设散裂中子源二期等项目,打造学科集中、区域集聚的世界一流重大科技基础设施群。“江门中微子实验站的建设,将奠定中国中微子研究领域的国际领先地位。”李小男说。

地下700米捕捉“幽灵粒子”

构成物质世界最基本的粒子有12种,其中三种是中微子。因检测非常困难,中微子也被称为“幽灵粒子”。

过去的上百年里,中微子研究一直是物理界的热门学科。自上世纪30年代人类发现中微子到现在,在中微子领域颁发的诺贝尔奖就已经有4次。

李小男介绍,我国的中微子研究起步于2003年开始筹建的大亚湾反应堆中微子实验站。这个由中国人主导的实验成功发现了中微子的第三种振荡模式,成为我国中微子研究的里程碑,实验成果获得了2016年度国家自然科学奖一等奖。

大亚湾实验完成了精确测量中微子第三种振荡模式的历史使命,使得在当前阶段测量中微子质量顺序和CP相位角成为可能,国际上纷纷制订研究计划以测定中微子质量顺序,江门中微子实验站的建设被提上日程。中国科学院于2013年以战略性先导科技专项立项,与广东省共建江门中微子实验站。

在江门中微子实验站办公楼,《南方》杂志记者看到,墙上鲜明地标示出“下一个挑战:中微子质量顺序”。

“如果说大亚湾实验站是中微子研究的起步阶段,那么江门中微子实验站则是跨越阶段。”李小男说,大亚湾实验证明了中微子是有质量的,江门实验就是要测出来三种中微子的质量顺序,这对于目前中微子研究是最关键最需要回答的问题,对于研究宇宙起源等起到重要作用。

“我们考察了多个地方,最后很幸运地找到了开平这个地方。” 谈起这件往事,李小男仍然很开心。

“幸运”来自两个方面。

一方面,核反应堆发电会产生大量中微子,因此实验站一般选址在核电站附近。研究表明,距离反应堆53公里处中微子振荡效应最明显、最容易捕捉,而金鸡镇就位于阳江、台山核电站各53公里处。目前,阳江、台山核电站有效的反应堆群功率位居世界第一。反应堆功率越大,释放的中微子就越多。

另一方面,日常环境中存在大量的宇宙射线,如果不加任何屏蔽,它们在探测器中产生的信号将比稀有的中微子信号多上亿倍。因此,中微子探测器需要放在很深的地下,用岩石来阻挡宇宙射线。“再加上地下洞室跨度达到50米,需要靠岩体自身结构来支撑,这要求岩体必须是很坚硬的花岗岩,而金鸡镇打石山正好满足所有条件。”李小男说。

诞生多个“世界之最”

2015年,江门中微子实验站正式动工建设,预计2023年投入使用。《南方》杂志记者在现场看到,目前项目土建工程已基本完工,工人们正在洞室底部安装实验设备。

李小男介绍,实验设备叫做中心探测器,主要是在一个直径35.4米的有机玻璃球里灌上2万吨的液体闪烁体,外壁布满数万个光电倍增管,共同探测中微子被“俘获”时产生的闪烁光。整个中心探测器浸泡在约4万吨高纯水的水池中。

从液体闪烁体的重量来看,江门中微子实验站规模达到了大亚湾中微子实验站的1000倍,建成后将成为世界上最大最先进的液体闪烁体中微子实验站。

“整个实验,对于液体闪烁体、高纯水的透明度等都提出了极高的要求,对有机玻璃球的质量和透明度也要求极高。”李小男解释,在这个35.4米直径的探测器中,中微子的光子至少要能够在液闪中跑20米,这就需要极高的透光度。

在建设过程中,江门中微子实验站项目团队不断克服困难,完成多项技术攻关,实现了多个“世界之最”:世界最大的有机玻璃容器(直径35.4米)、探测效率世界最高的光电倍增管(国产微通道板型光电倍增管的探测效率>30%)、世界最透明的液体闪烁体(衰减长度>20米)。

基建方面的挑战同样巨大。要在地下700米开挖一个跨度50米的地下洞室,不能有一根柱子支撑,这在国内国际上都几乎没有先例。几年来,施工人员克服严重的涌水、断层等困难,最终在不久前的2021年12月完成基建工作。

在江门中微子实验站办公楼会议室内,《南方》杂志记者看到一个“巨大的灯泡”。李小男介绍,这个“灯泡”是中国自主研发的20英寸的微通道板型光电倍增管,打破了国外垄断,用于放在有机玻璃球的外壁钢架上“捕捉”中微子,整个中心探测器将放置约1.7万个20英寸的光电倍增管。

打造世界一流重大科技基础设施群

今年的广东省政府工作报告提出,实施基础与应用基础研究十年“卓粤”计划,将1/3以上的省级科技创新战略专项资金投向基础研究。打造学科集中、区域集聚的世界一流重大科技基础设施群。

江门中微子实验站作为中科院在广东部署建设的5个国家重大科学装置之一,以及纳入国家“十四五”规划的广东5项重大科技基础设施之一,将为粤港澳大湾区综合性国家科学中心建设提供重要支持。

李小男介绍,江门中微子实验站与中山大学、东莞理工学院、五邑大学等诸多广东高校均有合作。“大科学装置的带动面很广,比如我们在核电站附近设置了小型的液闪探测器,交由五邑大学负责。通过类似的方式,我们可以为广东的高校培养相关的基础研究人才”。

江门市科技局相关领导告诉《南方》杂志记者:“当前,江门市正大力实施‘科技引领’工程。江门大力支持江门中微子实验站建设,提升江门在国家科技战略版图中的显示度和知名度,打造江门‘科技王牌军’,以大科学装置强化区域战略科技力量。”

为推动江门中微子实验站建设,江门市一方面积极争取省资金支持,解决工程经费问题,另一方面从用地指标、道路、供水、供电等方面均给予全方位的支持,确保实验站基建工程顺利完工。

江门市科技局相关领导透露,为进一步拓展中微子实验项目的前沿科学科普功能,目前江门市正与江门中微子实验站合作,积极筹建中微子科普馆,打造成青少年研学基地、全国科普教育基地,依托科普馆进一步打造科普小镇。

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网编:陈冰青

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