近日，我國重大科技基礎(chǔ)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(zhì)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(qū)的重大布局，江門中微子實驗以測量中微子質(zhì)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(nèi)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(shù)，將運行約30年。

　　“接棒”大亞灣中微子實驗

　　2012年，一則引發(fā)國際物理學界震動的消息從中國大亞灣發(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”，是中國科學院院士王貽芳和他所帶領(lǐng)的團隊。

　　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?！耙虼?，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(guān)實驗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，中微子有一個特殊的性質(zhì)，那就是它們經(jīng)?！白兩怼?，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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(guī)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?！按髞啚持形⒆訉嶒灥目茖W目標是利用核反應堆產(chǎn)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(xiàn)對中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測量?！?/p>

　　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驗上。

　　有望率先測量中微子質(zhì)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(zhàn)：中微子質(zhì)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(zhèn)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(chǎn)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?！翱梢哉f，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?！耙粋€是測中微子的質(zhì)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(shù)發(fā)展，使光電倍增管、有機玻璃、傳感器等技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域沖到國際先進水平?！?/p>

　　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(fā)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(qū)的74家科研機構(gòu)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(zhì)量順序。

　　“借助這一大科學裝置，廣東將更好鏈接國際高端創(chuàng)新資源、集聚全球頂尖研究團隊?！敝袊茖W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(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，將為世界探索前沿科學問題、攻克關(guān)鍵核心技術(shù)提供強有力的研究平臺，是可依托的重要戰(zhàn)略科技力量。

　　實驗關(guān)鍵裝備安裝進入尾聲

　　如今，在開平金雞鎮(zhèn)打石山地下700米的實驗室大廳內(nèi)，一個巨大的球形探測器已經(jīng)基本建成：一個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?！叭绻褟V州地標‘小蠻腰’放進地下，塔尖離山體表面還有100米?！?/span>

　　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(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器。錢小輝介紹，探測器最外側(cè)是一個國內(nèi)最大的單體不銹鋼結(jié)構(gòu)，整個不銹鋼網(wǎng)架由12萬套高強螺栓固定。

　　不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)部是世界最大的單體有機玻璃結(jié)構(gòu)。江門中微子實驗有機玻璃安裝項目經(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?！八喈斢趯嶒灥摹劬Α?，密布在不銹鋼網(wǎng)架內(nèi)側(cè)，面朝有機玻璃球，時刻‘盯緊’玻璃球里面發(fā)出的光信號，將中微子被俘獲時發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)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(shù)萬元。“但這次實驗我們與江蘇一家企業(yè)合作實現(xiàn)了國產(chǎn)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?！卞X小輝介紹。

　　在未來幾個月內(nèi)，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(nèi)灌滿2萬噸可以讓中微子“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(shù)將進入倒計時。人類成功捕獲“幽靈粒子”，也將從夢想走向現(xiàn)實。

　　策劃：羅彥軍 林煥輝 陳戈 胡念飛

　　統(tǒng)籌：王會赟 張志超 徐勉 王詩堃

　　本期執(zhí)行：潘曉晨 余佩

　　撰文：南方+記者 董有逸