直徑逾35公尺!中國建造超大玻璃球求解「幽靈粒子」之謎

2019-12-29 13:00

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中國建造超大玻璃球,求解「幽靈粒子」之謎。JUNO探測器示意圖。(新華社)

中國建造超大玻璃球,求解「幽靈粒子」之謎。JUNO探測器示意圖。(新華社)

在一個12層樓高的玻璃球裏注入透明液體,中國科學家打算造一個全世界最大的「水晶球」來捕捉宇宙中的「幽靈粒子」——中微子,從而找到通向物理新世界的大門。

他們將把一個直徑達35.4米的有機玻璃球安裝在廣東省江門市西南部的打石山中。施工人員已經在700多米深的花崗岩下方挖出一個空洞,作為未來的實驗大廳。

「我們一直在不停地抽排地下水。現在,水位已明顯降低,相信很快就能排乾淨。」江門中微子實驗發言人、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳近期介紹專案進展時說。

中國建造超大玻璃球,求解「幽靈粒子」之謎。科研人員正在測試光電倍增管性能。(新華社)
中國建造超大玻璃球,求解「幽靈粒子」之謎。科研人員正在測試光電倍增管性能。(新華社)

江門中微子實驗(JUNO)於2015年1月開工建設。若順利,明年年中,施工人員將開始在地下實驗廳中組裝巨大的球形探測器。

這是中國最複雜的高能物理實驗裝置,預計2022年建成。與當前最好的國際同類設備相比,它的規模要大20倍,精度提高近一倍。

「幽靈粒子」

中微子是組成自然界的一種基本粒子,在宇宙中廣泛存在。大多數粒子物理和核子物理過程都伴隨著中微子的產生,例如太陽發光、超新星爆發、宇宙射線、核反應爐發電等。

中微子也是目前最神秘的粒子之一。它們不帶電,品質極小,幾乎不與其他物質發生相互作用。它們如幽靈一般穿透地球,來無影去無蹤,每秒鐘就有3億億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。

正因為中微子不會像光子、電子一樣,與其他粒子相互作用,它們所攜帶的關於恒星、黑洞乃至整個宇宙的「核心秘密」,吸引著好奇的人類。

它們可以直接穿過劇烈「燃燒」的恒星內部而不被吞噬,成為人類瞭解恒星中心核反應過程的媒介;它們在宇宙誕生之初就已存在,且不像光子在宇宙大爆炸38萬年之後才結束和其他粒子相互作用開始傳播,所以也是研究宇宙最早期歷史的載體。

中國建造超大玻璃球,求解「幽靈粒子」之謎。為確保12層樓高大球的設計安全無誤,科研人員先造出直徑3米的小球,進行模擬實驗。(新華社)
中國建造超大玻璃球,求解「幽靈粒子」之謎。為確保12層樓高大球的設計安全無誤,科研人員先造出直徑3米的小球,進行模擬實驗。(新華社)

上世紀50年代,科學家首次觀測到中微子的存在,後來又發現中微子其實有三種,分別是電子中微子、μ中微子、τ中微子,它們在飛行時可以「一人分飾三角」,在三種類別之間相互轉化,這也被稱作中微子振盪。

在這個領域,中國是後來者,但做出了重要貢獻。2012年,大亞灣中微子實驗室宣佈發現新的中微子振盪模式,成為中微子研究的一個重要里程碑。

但是,中微子仍有太多未解之謎。江門中微子實驗副發言人、中科院高能物理所研究員曹俊指出,中微子很難探測,很多實驗研究進展有限,就是因為捕捉到的中微子信號太少,數據太少。

超級玻璃球

探測中微子,一種辦法是通過液體閃爍體探測器來捕捉它們產生的信號。

科研人員在有機玻璃球裏注入透明的特製液體——液體閃爍體(簡稱「液閃」),當中微子穿過球體時,會有一定的幾率和液體裏密佈的氫核發生反應。每一次反應產生一個正電子和一個中子,正電子隨即湮滅釋放出一個快信號,中子則在反復碰撞後被其他氫核吸收並釋放出一個慢信號。一前一後兩次閃爍,就透露了中微子的行蹤。

為了提高探測靈敏度,JUNO的選址經過精心測算。實驗室建在地下,以遮罩宇宙射線的干擾;距離陽江核電站和台山核電站都是53公里,可以同時利用兩者釋放的海量中微子,並畫出更精細的中微子能譜圖。

但是,較長的距離也會造成中微子流的「稀釋」,就好比放煙花,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閃探測器——日本的KamLAND探測器還要大20倍,後者注入了1000噸液閃,而JUNO要容納兩萬噸液閃,才能盡可能多地「俘獲」中微子。

「探測器越大,捕捉到的信號就越多,數據量就越大,就越能看到別人所看不到的。」曹俊說。

根據設計方案,JUNO會由265塊有機玻璃板現場組裝而成,並被鋼架固定在一個裝有約4萬噸純淨水的大池中。

這麼大的玻璃球,給工程建設帶來了挑戰。江門中微子實驗專案組先後請來幾個知名力學團隊幫忙設計,並搭建了專門實驗室,測試有機玻璃的力學性能和老化情況,還造了一個直徑3米的小球來驗證計算和測試是否準確。

「經過實驗證明無誤後,我們才把這套演算法用來設計大的探測器。我們要確保它能運行30年。」曹俊說。

「捕獲」微光

僅僅把探測器造很大,還不夠。中微子引發的閃爍非常微弱,肉眼無法看到。科研人員還要調配出極其透明的液閃,並在玻璃球外安裝數萬個光電倍增管,才能讓微光「顯形」。

液閃主體為烷基苯,是洗衣粉的原材料。「我們在南京找到了符合條件的廠家,生產出特製的液體,直接導入罐裝車,運往南方的實驗室。」曹俊說。

在注入玻璃球前,為了清除運輸過程帶來的污染,科研人員還要把液體又「洗」又「蒸」:用三氧化二鋁過濾,吸附雜質;蒸餾,去除光學干擾和天然放射性;往液體裏加兩種發光物質,再用超純水洗一遍;最後,進行蒸汽剝離和水萃取。

「這可以說是世界上最透明的液體,多麼微弱的光都可以透過。」曹俊說。

穿過液閃的光子,隨即會被密佈在球外的2萬個20英寸光電倍增管和2萬5千個3英寸光電倍增管「捕獲」。這些光電倍增管就像一只只凸起的眼睛,可以看到任何信號微瀾。

20英寸光電倍增管制造難度很大,其中15000個由國內研發生產。「最初,JUNO打算全部從國外採購,但當時只有日本一家公司生產,光這一項就要花費整個專案40%的經費,而且信號收集效率也達不到要求。於是,我們決定自主研發。」JUNO光電器件性能標定實驗室的朱瑤回憶說。

從2009年成立至今,朱瑤所在的實驗室奮鬥了10年,鑽研出一套和國外產品完全不同的技術方案。

「光子進入光電倍增管,會被轉化成電子,經過微通道板多次倍增後,一個電子可以變成一千萬個電子,信號就被放大了。我們研發的微通道板,是將一根根直徑約6微米、細如發絲的玻璃管擠壓在一起,然後切片,不僅倍增效果好,收集效率高,還使生產成本降低了一半。」朱瑤說。

未來,這些被放大的光電信號或許可以幫助科學家解開一個重要的謎題——中微子的品質順序,即三種中微子哪個最重。

「中微子的品質順序是自然界的基本參數之一,影響宇宙的演化進程。知道了品質順序,可以為其他研究鋪路。」曹俊說,「理論家一直試圖建立統轄宇宙萬物的大統一理論,品質順序是檢驗這些理論是否正確的鑰匙。」

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