神秘的中微子

軍武

在廣東江門，國家重大科技基礎設施江門中微子實驗裝置正在緊張建設中。目前，位于地下700米的中心探測器有機玻璃球已經完成赤道層安裝，預計2023年底完成整個探測器的建設，2024年開始運行取數。這是世界上最先進的中微子實驗室，實驗建造的中微子探測器將是世界上能量精度最高、規模最大的液體閃爍體探測器。

什么是中微子

中微子又譯作微中子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，常用希臘字母v表示。

中微子有三種類型：電子中微子，繆子或μ中微子，陶子或τ中微子。在目前已知物質世界的12種基本粒子中，中微子的種類占了四分之一。

那么，為什么要研究中微子呢？

我們都知道，根據宇宙大爆炸理論，我們的宇宙產生于137億年前的一次大爆炸。科學家相信，宇宙在大爆炸之初，同時產生了物質世界和反物質世界，只是反物質世界后來消失了。它到哪里去了呢？要揭示反物質世界的消失之謎，就要從現存的物質世界中尋找蛛絲馬跡。

科學家研究后認為，中微子的歷史十分古老，宇宙爆炸后幾秒，它們就誕生了，所以它們攜帶了比光更早期的宇宙信息，其中就包含了反物質世界是如何消失的重大信息。科學家甚至認為，在100多億年前，由于中微子的作用，反物質消失了，最終形成了我們的世界，如果破解了中微子的信息，就可以破解宇宙形成的秘密。

另外，構成地球的大部分元素實際上都是超新星爆發形成的，中微子帶走了超新星爆發出的99%的能量。探測來自超新星的中微子，還能夠告訴我們超新星爆發的機制。

站在實用角度來看，研究中微子也非常有意義。因為中微子個頭小、不帶電，質量非常輕，與其他物質的相互作用十分微弱，可以幾乎不受阻擋地直線穿過山脈、海洋甚至星球，也不像光那樣會受引力影響，所以中微子在運行過程中幾乎沒有什么能夠阻擋它。這不是一種絕佳的通信工具嗎？無論什么阻隔，都不會造成通信中斷了！美國費米實驗室就曾做過實驗，成功地用中微子實現了通信，帶寬為0.1bps（位/秒），誤碼率僅有百分之一。

除此之外，中微子探測器還有助于監控核反應的過程。畢竟核反應的環境非常危險，如果能用中微子探測器，就能不受阻礙地實時監測核電站反應堆的功率，并了解其燃料的反應情況。

為什么研究中微子的國家那么少

雖然中微子研究的意義很大，但世界上有資格研究它的國家卻沒有幾個。原因很簡單，研究中微子太難了。

地球大氣層中存在著許多高能宇宙射線，會產生強烈的輻射和粒子干擾，這對于實驗的正常進行會產生很大影響。所以要想建設中微子實驗室，就必須在地層之下，最好是500米以下，讓地層過濾掉干擾粒子的影響，還能提供比較穩定的溫度、濕度，從而提高實驗數據的準確性和可靠性。

在中微子實驗室中，不僅要深挖洞，最關鍵的是中微子閃爍探測器部件。這個探測器部件外形像一個巨大的罐子，由數萬噸的液體閃爍體和數萬只光電倍增管組成。

液體閃爍體會被密封在由鋼和有機玻璃制作而成的容器中，是探測中微子的介質，當大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內發生反應，發出極其微弱的閃爍光。

液體閃爍體有兩種：一是烷基苯，二是超純水。這個超純水和我們喝的純凈水不一樣，它是經過嚴格的技術提煉出來的超純水，電阻率一般大于18 MΩ.cm。這是什么概念呢？我們常見的絕緣體——木頭，它的電阻率也只有15MΩ.cm左右，可以說超純水比木頭還絕緣。

液體閃爍體中將安裝可以將光信號轉變成電信號的光電倍增管，中微子在液體閃爍體中發生反應后發出的閃爍光可以被光電倍增管捕捉到。之所以這樣設計，是為了給探測器一個“干凈的環境”，把探測器放在很深的地下，就可以用巖石來阻擋宇宙射線；把探測器泡在液體閃爍體中，就可以用水來阻擋來自巖石、空氣、灰塵的天然放射性。

這個中微子閃爍探測器部件的建造難度非常高。比如其水罐外殼，是一個不銹鋼網殼，要用低放射性本底的不銹鋼材料制成；里面是一個很薄的有機玻璃球，不僅要保證其裝上幾萬噸液體而不被壓塌，還要保證其重量不會把不銹鋼網殼壓壞。

至于里面的光電倍增管就更難了，它被稱為“探測器眼睛”。這些橢圓形的“黃金瞳”可以將中微子的光信號轉換成電信號，并放大1 000萬倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計算機分析處理。

中微子探測一直被西方發達國家所壟斷，目前全世界僅有4個中微子探測器，分別是日本的神岡探測器、加拿大的薩德伯里中微子觀測站、美國厄文－密歇根－布魯克海汶（IMB）探測器以及位于南極的 IceCube中微子觀測站（美國）。加上蘇聯1977年在貝加爾湖底建設的巴克三中微子觀測所，也不過5個。

正因為如此，世界中微子研究的成果也都掌握在這些國家手中，比如大麥哲倫星系的超新星爆炸1987A發射出10^58個中微子。其中僅有25個在地球上被探測到，包括日本神岡探測器探測到的12個，美國厄文－密歇根－布魯克海汶（IMB）探測器探測到的8個，蘇聯巴克三探測器探測到的5個。

為何日本的神岡探測器探測到的最多？這是因為日本的探測器最先進，被日本人稱為超級神岡探測器。超級神岡探測器位于地下1 000米，其高約40米，直徑約39米，當中有著11 200個光電倍增管，光超純水就有5萬噸。

雖然這個探測器花了日本150億日元，但仍然是值得的，因為它給日本帶來了兩個諾貝爾獎。

中國人不會缺席中微子研究

美國目前也計劃在南達科他州桑福德地下研究中心地下1.5千米深處建設一個新的世界最大的中微子探測器。

為了打破西方國家對中微子研究的壟斷，2003年，中國科學院高能物理研究所的科研人員提出設想，利用大亞灣核反應堆群產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩。

2012年3月8日，大亞灣實驗室拔得頭籌：發現了中微子第三種振蕩模式，并精確測量到其振蕩概率。年底，大亞灣中微子實驗成果入選美國《科學》雜志2012年度十大科學突破。

但是，因為實驗條件有限，要想取得更好的實驗效果，就需要更好的探測器。

為此，2013年，江門中微子實驗項目立項了。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。可以說，這里是目前全球最適合做中微子實驗的地方。

為了建設這個江門探測器，中國克服困難，實現了很多工程物理學上的奇跡。

比如探測器中的不銹鋼網殼，是國內最大的單體不銹鋼主結構之一，直徑41米，將承載35.4米直徑的有機玻璃球、20 000噸液體閃爍體、20 000只20英寸光電倍增管、25 000只3英寸光電倍增管，以及前端電子學、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多關鍵部件。

僅僅這個網架，就耗費了900噸鋼材，由12萬套高強螺栓才能固定。網架內部是世界上最大的單體有機玻璃結構——直徑35.4米、厚度卻僅有120毫米的有機玻璃球。雖然“薄如蛋殼”，卻有著極強的堅固性。科研人員采用了本體粘接工藝，讓263塊玻璃板渾然一體，完全看不出一點兒拼接的痕跡。

還有其中的4.5萬只光電倍增管，數量為日本超級神岡探測器的4倍，如果從國外進口，就意味著造價要遠超日本神岡探測器。最終，中國科研工作者花費巨大代價，實現了光電倍增管的國產化，打破了國外30多年的壟斷。

如今，江門中微子實驗室已經建造了10年，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3種中微子的質量順序。

明確這個順序，有助于人類進一步理解中微子的質量起源和解決宇宙反物質消失之謎，而且會決定后續實驗的發展方向，是國際公認的中微子研究的當務之急。如果能取得這個突破，拿個諾貝爾獎就是妥妥的。

要不了多久，江門中微子探測器內就會充滿數萬噸的液體閃爍體。它們將和數萬個光電倍增管一起，靜靜等待中微子點亮。