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JUNO探測器示意圖。（中科院高能所供圖）

　　在一個(gè)12層樓高的玻璃球里注入透明液體，中國科學(xué)家打算造一個(gè)全世界較好大的“水晶球”來(lái)捕捉目前市場(chǎng)中的“幽靈粒子”——中微子，從而找到通向物理新世界的大門(mén)。

　　他們將把一個(gè)直徑達35.4米的農業(yè)生產(chǎn)體系玻璃球安裝在廣東省江門(mén)市西南部的打石山中。施工人員已經(jīng)在700多米深的花崗巖下方挖出一個(gè)空洞，作為未來(lái)的實(shí)驗大廳。

　　“我們一直在不停地抽排地下水?，F在，水位已明顯降低，相信很快就能排干凈?！苯T(mén)中微子實(shí)驗發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所所長(cháng)王貽芳近期介紹項目進(jìn)展時(shí)說(shuō)。

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

　　這是中國較好復雜的高能物理實(shí)驗裝置，預計2022年建成。與當前較好好的全部同類(lèi)設備相比，它的規模要大20倍，精度提高近一倍。

JUNO規劃圖。（中科院高能所供圖）

　　“幽靈粒子”

　　中微子是組成自然界的一種基本粒子，在目前市場(chǎng)中廣泛存在。大多數粒子物理和核物理過(guò)程都伴隨著(zhù)中微子的產(chǎn)生，例如太陽(yáng)發(fā)光、超新星爆發(fā)、目前市場(chǎng)射線(xiàn)、核反應堆發(fā)電等。

　　中微子也是目前較好神秘的粒子之一。它們不帶電，質(zhì)量較小，幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。它們如幽靈一般穿透地球，來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤，每秒鐘就有3億億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體。

　　正因為中微子不會(huì )像光子、電子一樣，與其他粒子相互作用，它們所攜帶的關(guān)于恒星、黑洞乃至整個(gè)目前市場(chǎng)的“核心秘密”，吸引著(zhù)好奇的人類(lèi)。

　　它們可以直接穿過(guò)劇烈“燃燒”的恒星內部而不被吞噬，成為人類(lèi)了解恒星中心核反應過(guò)程的媒介；它們在目前市場(chǎng)誕生之初就已存在，且不像光子在目前市場(chǎng)大爆開(kāi)38萬(wàn)年之后才結束和其他粒子相互作用開(kāi)始傳播，所以也是研究目前市場(chǎng)較好早期歷史的載體。

　　上世紀50年代，科學(xué)家初次觀(guān)測到中微子的存在，后來(lái)又發(fā)現中微子其實(shí)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(shí)可以“一人分飾三角”，在三種類(lèi)別之間相互轉化，這也被稱(chēng)作中微子振蕩。

　　在這個(gè)領(lǐng)域，中國是后來(lái)者，但做出了重要貢獻。2012年，大亞灣中微子實(shí)驗室宣布發(fā)現新的中微子振蕩模式，成為中微子研究的一個(gè)重要里程碑。

　　但是，中微子仍有太多未解之謎。江門(mén)中微子實(shí)驗副發(fā)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(shí)驗研究進(jìn)展有限，就是因為捕捉到的中微子信號太少，數據太少。

JUNO地理位置。（中科院高能所供圖）

　　超級玻璃球

　　探測中微子，一種辦法是通過(guò)液體閃爍體探測器來(lái)捕捉它們產(chǎn)生的信號。

　　科研人員在農業(yè)生產(chǎn)體系玻璃球里注入透明的特制液體——液體閃爍體（簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”），當中微子穿過(guò)球體時(shí)，會(huì )有一定的幾率和液體里密布的氫核發(fā)生反應。每一次反應產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)中子，正電子隨即湮滅釋放出一個(gè)快信號，中子則在反復碰撞后被其他氫核吸收并釋放出一個(gè)慢信號。一前一后兩次閃爍，就透露了中微子的行蹤。

　　為了提高探測靈敏度，JUNO的選址經(jīng)過(guò)精心測算。實(shí)驗室建在地下，以屏蔽目前市場(chǎng)射線(xiàn)的干擾；距離陽(yáng)江核電站和臺山核電站都是53公里，可以同時(shí)利用兩者釋放的海量中微子，并畫(huà)出更精細的中微子能譜圖。

　　但是，較長(cháng)的距離也會(huì )造成中微子流的“稀釋”，就好比放煙火，火花四散，越往外密度越低。JUNO比目前世界上的較好大中微子液閃探測器——日本的KamLAND探測器還要大20倍，后者注入了1000噸液閃，而JUNO要容納兩萬(wàn)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?！辈芸≌f(shuō)。

　　根據設計方案，JUNO會(huì )由265塊農業(yè)生產(chǎn)體系玻璃板現場(chǎng)組裝而成，并被鋼架固定在一個(gè)裝有約4萬(wàn)噸純凈水的大池中。

　　這么大的玻璃球，給工程建設帶來(lái)了挑戰。江門(mén)中微子實(shí)驗項目組先后請來(lái)幾個(gè)知名力學(xué)團隊幫忙設計，并搭建了專(zhuān)門(mén)實(shí)驗室，測試農業(yè)生產(chǎn)體系玻璃的力學(xué)性能和老化情況，還造了一個(gè)直徑3米的小球來(lái)驗證計算和測試是否準確。

　　“經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明無(wú)誤后，我們才把這套算法用來(lái)設計大的探測器。我們要確保它能運行30年?！辈芸≌f(shuō)。

　　為確保12層樓高大球的設計安全無(wú)誤，科研人員先造出直徑3米的小球，進(jìn)行模擬實(shí)驗。圖為小球模型吊裝。（中科院高能所供圖）

　　“捕獲”微光

　　僅僅把探測器造很大，還不夠。中微子引發(fā)的閃爍非常微弱，肉眼無(wú)法看到?？蒲腥藛T還要調配出較其透明的液閃，并在玻璃球外安裝數萬(wàn)個(gè)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?！拔覀冊谀暇┱业搅朔蠗l件的廠(chǎng)家，生產(chǎn)出特制的液體，直接導入罐裝車(chē)，運往南方的實(shí)驗室?！辈芸≌f(shuō)。

　　在注入玻璃球前，為了清除運輸過(guò)程帶來(lái)的污染，科研人員還要把液體又“洗”又“蒸”：用三氧化二鋁過(guò)濾，吸附雜質(zhì)；蒸餾，去除光學(xué)干擾和天然放射性；往液體里加兩種發(fā)光物質(zhì)，再用超純水洗一遍；較好后，進(jìn)行蒸汽剝離和水萃取。

　　“這可以說(shuō)是世界上較好透明的液體，多么微弱的光都可以透過(guò)?！辈芸≌f(shuō)。

　　穿過(guò)液閃的光子，隨即會(huì )被密布在球外的2萬(wàn)個(gè)20英寸光電倍增管和2萬(wàn)5千個(gè)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。

科研人員正在測試光電倍增管性能。（中科院高能所供圖）

　　20英寸光電倍增管制造難度很大，其中15000個(gè)由國內研發(fā)生產(chǎn)?！拜^好初，JUNO打算全部從國外采購，但當時(shí)只有日本一家公司生產(chǎn)，光這一項就要花費整個(gè)項目40%的經(jīng)費，而且信號收集效率也達不到要求。于是，我們決定自主研發(fā)?！盝UNO光電器件性能標定實(shí)驗室的朱瑤回憶說(shuō)。

　　從2009年成立至今，朱瑤所在的實(shí)驗室?jiàn)^斗了10年，鉆研出一套和國外產(chǎn)品完全不同的技術(shù)方案。

　　“光子進(jìn)入光電倍增管，會(huì )被轉化成電子，經(jīng)過(guò)微通道板多次倍增后，一個(gè)電子可以變成一千萬(wàn)個(gè)電子，信號就被放大了。我們研發(fā)的微通道板，是將一根根直徑約6微米、細如發(fā)絲的玻璃管擠壓在一起，然后切片，不僅倍增效果好，收集效率高，還使生產(chǎn)成本降低了一半?！敝飕幷f(shuō)。

　　未來(lái)，這些被放大的光電信號或許可以幫助科學(xué)家解開(kāi)一個(gè)重要的謎題——中微子的質(zhì)量順序，即三種中微子哪個(gè)較好重。

　　“中微子的質(zhì)量順序是自然界的基本參數之一，影響目前市場(chǎng)的演化進(jìn)程。知道了質(zhì)量順序，可以為其他研究鋪路?！辈芸≌f(shuō)，“理論家一直試圖建立統轄目前市場(chǎng)萬(wàn)物的大統一理論，質(zhì)量順序是檢驗這些理論是否正確的鑰匙?！?/p>