深埋地下700米的“水晶球”如何捕捉神奇的中微子？

 

每时每刻，我们的身体都会被数以万计的“隐身物质”穿过，我们却完全感知不到它们的存在。这些“隐身物质”就是构成物质世界最基本的粒子之一：中微子。

在广东江门，国家重大科技基础设施江门中微子实验装置正在紧张建设中。目前，位于地下700米的中心探测器有机玻璃球已经完成赤道层安装，预计今年年底完成整个探测器的建设。

什么是中微子？我们为什么要探测它？这个深埋地下700米的探测装置到底长什么样？它将如何捕捉中微子？研究中微子又将为我们解答哪些宇宙的奥秘？一问到底↓

什么是中微子？为何要探测中微子？

宇宙中无处不在的中微子到底是什么？我们又为何要专门建一个大装置来探测它？

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：中微子是一种不带电的中性粒子，所谓微，就是质量特别小，它比电子的质量大概还要小亿分之一，像电子、夸克一样都属于组成现在物质界的最基本粒子之一。

中微子是人类目前所知的建造物质世界最小的砖块，比组成我们人体粒子的间隙还要小，很难被探测到，因此它也被称为“幽灵粒子”。中微子无处不在，恒星内部的核反应，超新星的爆发，核反应堆的运行，以至于岩石中的放射性物质衰变，都产生大量中微子。但是，由于中微子与普通物质的相互作用很弱，甚至可以穿过整个地球而不被任何物质吸收，因此，无所不在的中微子却是基本粒子中人类了解最少的一种，至今仍有诸多未解之谜。

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：因为中微子很难发生相互作用，而且就算发生也是弱相互作用，换句话说，就是能量交换非常少，所以探测器一定要做得特别大，足够大才有可能得到足够多的样本，才能探测这些难以捕捉的“幽灵粒子”，我们正在建设的是一个巨大的、球形的深埋地下的探测器。

深埋地下700米 中微子探测装置长啥样？

我们之所以要探测身边无处不在的中微子，是因为它们还有诸多未解之谜。而我们的探测器是一个深埋地下700米的巨大的球形装置，这个正在建设中的装置到底什么样？

总台央视记者 任梅梅：从江门中微子地下实验室的入口，到达地下700米的深度，需要乘坐缆车，这个缆车也是科研人员每天上下通勤的“班车”，每次可以同时搭载40多人。

乘坐缆车，穿过1267米的斜井隧道，大约15分钟，记者来到了地下700米的岩洞。

总台央视记者 任梅梅：在这个巨大水池中央的球形探测装置就是主探测器了，它是一个直径30多米的有机玻璃体，在外侧是不锈钢的支撑框架，光电倍增管等一系列探测设备的安装工作正在紧张进行当中，它就像一个深埋在地下的大“眼睛”，帮助科学家们捕捉中微子的痕迹。

球形探测器最大圈层赤道层如何安装？

目前这个中微子实验装置的中心探测器有机玻璃球已经完成赤道层安装，那么作为最大圈层的赤道层安装有何难点？

总台央视记者 帅俊全：在江门中微子实验的水池底部，上方正在建造的就是世界最大也最灵敏的液体闪烁体中微子探测器。在脚手架的施工平台上方，正在施工的就是世界最大的直径35米的有机玻璃球，正进行它的最大圈层——赤道层的安装。

升降平台是完成有机玻璃球安装的重要辅助平台，直径和高度逐层可变。工程人员将在该平台上逐层完成有机玻璃的吊装就位、拼接聚合、固化、退火、打磨、清洗、贴膜等工序，最终完成有机玻璃球的整体安装。

中国科学院高能物理所正高级工程师 江门中微子实验总工程师 马骁妍：赤道层相对于其他层来说，它的难度就是在于每一块板材的尺寸很大，在调装的过程中会相对难一些。

专家介绍，整个探测器总共由263块有机玻璃板拼接而成，每一块玻璃板的厚度有120毫米，这也是目前世界上最大的单体有机玻璃结构。

中国科学院高能物理所正高级工程师 江门中微子实验总工程师 马骁妍：你觉得120毫米很厚了，如果按比例去看的话，其实它比鸡蛋壳还要薄的，（因为）未来我们站的这个地方就是液体闪烁体，两万吨的液体闪烁体在有机玻璃球里面。

地下“水晶球”将如何捕捉“幽灵粒子”？

据专家介绍，江门中微子探测器的主体部分，也就是这个直径约35米的有机玻璃球，相当于12层楼的高度，建成后，玻璃球里面将灌入2万吨液体闪烁体，而它外部的水池里，将充满3.5万吨高纯水，相当于300万桶桶装水的量。为何要在球形探测器里面灌入液体闪烁体，这样的设置将如何捕捉“幽灵粒子”中微子呢？

液体闪烁体，作为探测中微子的介质，它的主要成分其实是一种叫烷基苯的液体，是日常生活中使用的洗衣粉、洗衣液的原料，无毒无味对人体没有任何危害性，但是江门中微子实验所用的液体闪烁体不仅要很透明，还要求非常干净，具体来说就是2万吨液体里面混入的灰尘不能超过0.008克。

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：带电粒子打上去以后，它能发出光的，我们叫它闪烁光，所以我们叫它液体闪烁体，直径有37米的球，光可能会在中间发出，它要穿过这个闪烁体出来，如果透明度不够，光在里面就被吸收，就传不出来了，所以我们需要更透明。

当外界的中微子进入到探测器内部，只要有一个中微子与液体闪烁体作用，它就会发出微弱的光，这个光是我们肉眼无法分辨的，不过探测器外围的数万个光电倍增管可以将其捕捉到，将光信号转化成电信号，并将微弱的电信号放大1000万倍。

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：光电倍增管把它由光信号转变成电信号，再通过电子学送到计算机，经过数据分析我们就可以得到中微子的一些性能了。

中微子探测装置为何要建在地下700米？

中微子探测装置为什么要建在地下700米深处呢？探测中微子不能在地面上进行吗？

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：中微子它本来是很难探测，地面上有大量的来自宇宙的宇宙线，这种宇宙线打到我们的探测器上也会产生假的中微子信号，所以说我们把探测器放到地下，这样的话，地下700米的岩石层就能把这些宇宙线给阻挡掉。

在地下700米建设大科学装置有多难？

专家介绍，要捕捉中微子，需要足够深、足够暗、足够干净的环境，700米地下深处，可以屏蔽掉绝大多数的宇宙线。不过，要在地下700米建设如此庞大的一个探测装置，并非易事，到底有哪些难点呢？

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：首先这边是在南方，挖掘的时候，有大量的水，现在每小时三四百立方的水我们往上抽，我们地下的隧道，包括地下试验室的挖掘都是非常困难，第二个就是地下700米岩石的温度已经高达37度，这种高温高湿的环境对我们人员的工作压力是很大的。第三个关于有机玻璃球，这是目前来说世界上最大的一个单体有机玻璃球，所以整个制作其实是有很多的技术难题在里面的。

为了保证探测器的洁净度、变形控制和作业安全，整个不锈钢网架地下组装不使用焊接，而是采用拥有专利的高强不锈钢铆钉连接技术，精度要达到毫米量级，铆钉数量就达到了12万套。

中微子探测装置建成后将解答哪些科学谜题？

中微子探测器，这个深藏于地下700米的科学重器，建成以后将为我们解开哪些科学谜题，又将探索到宇宙的哪些奥秘呢？

据了解，建成后，江门中微子实验将运行30年，预计在中微子质量顺序、中微子混合参数的精确测量以及超新星、地球及太阳中微子研究方面产出系列重大物理成果。

中国科学院高能物理所研究员 江门中微子实验现场安装经理 胡涛：江门中微子实验的首要目标就是希望测量中微子的质量顺序，这个对中微子物理，包括天文物理都是非常重要的一个参数，第二进一步精确测量中微子振荡的一些参数，希望得到国际最先进的水平，希望有新的物理发现，除此之外我们可能还有一些在超新星爆发的机制、太阳核心的物理核反应，甚至地球模型的研究上，都是有可能有一些贡献的。

（原标题：深埋地下700米的“水晶球”如何捕捉神奇的中微子？一问到底→）