中國建造超大玻璃球求解“幽靈粒子”之謎

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項目進展時説。

江門中微子實驗（JUNO）于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物理過程都伴隨著中微子的産生，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，成為人類了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。

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蕩。

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蕩模式，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産生的信號。

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布的氫核發生反應。每一次反應産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，中子則在反覆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；距離陽江核電站和臺山核電站都是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。”曹俊説。

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4萬噸純凈水的大池中。

這麼大的玻璃球，給工程建設帶來了挑戰。江門中微子實驗項目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。我們要確保它能運作30年。”曹俊説。

“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，生産出特製的液體，直接導入罐裝車，運往南方的實驗室。”曹俊説。

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；往液體里加兩種發光物質，再用超純水洗一遍；最後，進行蒸汽剝離和水萃取。

“這可以説是世界上最透明的液體，多麼微弱的光都可以透過。”曹俊説。

穿過液閃的光子，隨即會被密布在球外的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隻只凸起的眼睛，可以看到任何信號微瀾。

20英寸光電倍增管製造難度很大，其中15000個由國內研發生産。“最初，JUNO打算全部從國外採購，但當時只有日本一家公司生産，光這一項就要花費整個項目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説。

從2009年成立至今，朱瑤所在的實驗室奮鬥了10年，鑽研出一套和國外産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、細如髮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，還使生産成本降低了一半。”朱瑤説。

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。”曹俊説，“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。”（王攀 全曉書 荊淮僑）