江門中微子實驗室為何建在地下700米？將如何捕獲中微子？專家解讀

【環球時報報道 記者 劉揚 冷舒眉】我國重大科技基礎設施江門中微子實驗（JUNO）的建設進入收官階段，11月20日，江門中微子實驗探測器主體建成。這個位於廣東江門的大科學裝置建在地下700米，建成後將主要研究宇宙中的一種“幽靈粒子”——中微子。什麼是中微子？研究這些“幽靈粒子”有哪些重大科學意義？這一科學裝置為何要建在地下700米，它又將如何捕獲中微子呢？圍繞相關問題《環球時報》記者採訪了中國科學院高能物理研究所實驗物理中心中微子一組組長何苗研究員。

中微子是什麼

想要了解江門中微子實驗的科學研究價值，首先要了解什麼是中微子。據專家介紹，中微子是宇宙形成之初就存在的最古老也最原始的基本粒子之一，攜帶着非常多重要的神秘信息。中微子是構成物質世界的基本粒子之一，在最微觀的物質世界和最宏觀的宇宙中起着重要作用，如果沒有中微子，太陽不會發光，也不會有銀河系、地球，以及人類。

談到人類對中微子的研究歷史，中國科學院高能物理研究所實驗物理中心中微子一組組長何苗研究員對《環球時報》記者表示，自從奧地利科學家泡利在1930年提出中微子假説以來，中微子的研究已經走過了近百年曆史。20世紀70年代，中微子中性流過程的實驗發現成為粒子物理學史上的里程碑。在2000年前後，日本和加拿大的中微子實驗裝置首次觀測到了大氣和太陽中微子的振盪現象，這一突破為兩國科學家贏得了2015年的諾貝爾物理學獎。

建在地下700米

江門中微子實驗大科學裝置是科研團隊耗時多年，在廣東江門地下700米深處建造的一個巨型實驗室。地下700米是什麼概念？中國科學院高能物理研究所高級工程師錢小輝表示，實驗室的位置到其正上方的山頂有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。

為什麼要將探測、研究中微子的大科學裝置建在700米地下呢？中國科學院高能物理研究所研究員衡月昆接受媒體採訪時表示，中微子又被稱為“幽靈粒子”，是指它極其難探測，因為它跟物質發生作用的概率特別低，物質很難阻擋它，其穿透能力特別強，所以探測難度特別大。

何苗對《環球時報》記者表示，在日本和加拿大的中微子實驗裝置發現大氣和太陽中微子的振盪現象之後，中國的大亞灣反應堆中微子實驗於2012年首次揭示了中微子振盪的第三種模式。這一發現不僅完善了中微子振盪的理論框架，還為下一代實驗在確定中微子質量順序等方面指明瞭方向。在這一背景下，江門中微子實驗應運而生，其首要物理目標是通過探測反應堆核裂變產生的中微子能譜，確定中微子的質量順序。

據何苗介紹，根據中微子振盪理論，探測器在距離反應堆50公里附近的位置上具有最高的靈敏度。另一方面，來自宇宙的射線同樣會被探測器觀測到，干擾對中微子的探測。岩石能夠有效屏蔽宇宙射線，因此探測器需要建在地下。700米的山體可以將宇宙射線的事件率降低近十萬倍。江門市金雞鎮的打石山距離具有高功率反應堆的台山和陽江核電站均為53公里，並且打石山的山體能夠有效屏蔽宇宙射線，為實驗提供理想環境。

江門中微子實驗裝置什麼樣

除了建在地下深處，外界還對這個能捕獲中微子的大科學裝置長什麼樣充滿好奇。據報道，從上空俯瞰，江門中微子實驗裝置的主體就像一個泡在水中的西瓜，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。核心探測設備位於地下700米的實驗大廳內44米深的水池中央，它由直徑41米的不鏽鋼網殼、直徑35.4米的有機玻璃球，以及數萬噸液體閃爍體、4.5萬個光電倍增管等關鍵部件組成。

專家表示，液體閃爍體是探測中微子的介質。當大量中微子穿過探測器時，會在探測器內發生反應，發出極其微弱的閃爍光，從而被光電倍增管探測到。4.5萬個光電倍增管相當於“眼睛”，密佈在不鏽鋼網架內側，面朝有機玻璃球，時刻“盯緊”玻璃球裏面發出的光信號，將中微子被俘獲時發出的光信號轉換成電信號，並放大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。

“要精確測量中微子的質量，目前的方法是通過觀測中微子振盪，來獲取其相對質量。描述中微子振盪需要用到6個參數，其中已經有4個半參數，被科學家成功測量。大亞灣實驗團隊為這一領域作出了貢獻，測量了其中的1個參數。”中國科學院院士、江門中微子實驗首席科學家王貽芳説：“未來剩下那1個半參數，就是我們需要努力解決的。”

據報道，為了測量這剩下的1個半參數，江門中微子實驗需要建造一個有效質量為兩萬噸的低本底、高透明度的球形液體閃爍體探測器，也就是中心探測器“大玻璃球”。這顆玻璃球的有機玻璃淨重約600噸——是世界上最大的單體有機玻璃球。玻璃球內部，將會灌滿液閃。它將會浸泡在圓柱形的水池中，池內灌裝有數萬噸高純水，水裏純淨到連微生物都沒有。水池兼做水切倫科夫探測器和天然放射性屏蔽體，頂部為約1000平方米的宇宙線徑跡探測器。

將產生哪些科研成果

王貽芳表示，我們一方面想知道中微子的絕對質量是多少，另外一方面也想通過中微子的振盪知道中微子之間的相對質量差是多少。通過這些質量的研究，可以構造對物質世界理解的理論，基於此也可以跟宇宙的起源演化聯繫起來，讓我們理解宇宙和物質世界。

專家稱，圍繞中微子的研究是典型的基礎科學研究範疇，也是國際上最尖端的科學研究領域。中微子研究也許不會在3到5年，甚至10年、20年內給我們的生活帶來哪些變化。但就如19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋理論預言了電磁波的存在，從而為人類進入電氣時代奠定了基石一樣，百年後的人類得以應用到各種家用電器和通信設備。今天我們對於中微子的研究或許也將在未來某個時間改變我們對這個宇宙的認知，從而徹底改變人類生活方式。