中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜

　　JUNO探测器示意图。（中科院高能所供图）

　　新华社北京12月26日电（记者全晓书 王攀 荆淮侨）在一个12层楼高的玻璃球里注入透明液体，中国科学家打算造一个全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“幽灵粒子”——中微子，从而找到通向物理新世界的大门。

　　他们将把一个直径达35.4米的有机玻璃球安装在广东省江门市西南部的打石山中。施工人员已经在700多米深的花岗岩下方挖出一个空洞，作为未来的实验大厅。

　　“我们一直在不停地抽排地下水。现在，水位已明显降低，相信很快就能排干净。”江门中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳近期介绍项目进展时说。

　　江门中微子实验（JUNO）于2015年1月开工建设。若顺利，明年年中，施工人员将开始在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

　　这是中国最复杂的高能物理实验装置，预计2022年建成。与当前最好的国际同类设备相比，它的规模要大20倍，精度提高近一倍。

　　JUNO规划图。（中科院高能所供图）

　　“幽灵粒子”

　　中微子是组成自然界的一种基本粒子，在宇宙中广泛存在。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如太阳发光、超新星爆发、宇宙射线、核反应堆发电等。

　　中微子也是目前最神秘的粒子之一。它们不带电，质量极小，几乎不与其他物质发生相互作用。它们如幽灵一般穿透地球，来无影去无踪，每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。

　　正因为中微子不会像光子、电子一样，与其他粒子相互作用，它们所携带的关于恒星、黑洞乃至整个宇宙的“核心秘密”，吸引着好奇的人类。

　　它们可以直接穿过剧烈“燃烧”的恒星内部而不被吞噬，成为人类了解恒星中心核反应过程的媒介；它们在宇宙诞生之初就已存在，且不像光子在宇宙大爆炸38万年之后才结束和其他粒子相互作用开始传播，所以也是研究宇宙最早期历史的载体。

　　上世纪50年代，科学家首次观测到中微子的存在，后来又发现中微子其实有三种，分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子，它们在飞行时可以“一人分饰三角”，在三种类别之间相互转化，这也被称作中微子振荡。

　　在这个领域，中国是后来者，但做出了重要贡献。2012年，大亚湾中微子实验室宣布发现新的中微子振荡模式，成为中微子研究的一个重要里程碑。

　　但是，中微子仍有太多未解之谜。江门中微子实验副发言人、中科院高能物理所研究员曹俊指出，中微子很难探测，很多实验研究进展有限，就是因为捕捉到的中微子信号太少，数据太少。

　　JUNO地理位置。（中科院高能所供图）

　　超级玻璃球

　　探测中微子，一种办法是通过液体闪烁体探测器来捕捉它们产生的信号。

　　科研人员在有机玻璃球里注入透明的特制液体——液体闪烁体（简称“液闪”），当中微子穿过球体时，会有一定的几率和液体里密布的氢核发生反应。每一次反应产生一个正电子和一个中子，正电子随即湮灭释放出一个快信号，中子则在反复碰撞后被其他氢核吸收并释放出一个慢信号。一前一后两次闪烁，就透露了中微子的行踪。

　　为了提高探测灵敏度，JUNO的选址经过精心测算。实验室建在地下，以屏蔽宇宙射线的干扰；距离阳江核电站和台山核电站都是53公里，可以同时利用两者释放的海量中微子，并画出更精细的中微子能谱图。

　　但是，较长的距离也会造成中微子流的“稀释”，就好比放烟花，火花四散，越往外密度越低。JUNO比目前世界上最大的中微子液闪探测器——日本的KamLAND探测器还要大20倍，后者注入了1000吨液闪，而JUNO要容纳两万吨液闪，才能尽可能多地“俘获”中微子。

　　“探测器越大，捕捉到的信号就越多，数据量就越大，就越能看到别人所看不到的。”曹俊说。

　　根据设计方案，JUNO会由265块有机玻璃板现场组装而成，并被钢架固定在一个装有约4万吨纯净水的大池中。

　　这么大的玻璃球，给工程建设带来了挑战。江门中微子实验项目组先后请来几个知名力学团队帮忙设计，并搭建了专门实验室，测试有机玻璃的力学性能和老化情况，还造了一个直径3米的小球来验证计算和测试是否准确。

　　“经过实验证明无误后，我们才把这套算法用来设计大的探测器。我们要确保它能运行30年。”曹俊说。

　　为确保12层楼高大球的设计安全无误，科研人员先造出直径3米的小球，进行模拟实验。图为小球模型吊装。（中科院高能所供图）

　　“捕获”微光