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【中国科学报】江门中微子专项:拓展“幽灵粒子”研究新空间
2017-09-27|文章来源:倪思洁 |【
 

  ■本报记者 倪思洁

  熟悉中国科学院先导专项的人都知道,自2011年起,中科院组织实施了战略性先导科技专项,并把它分成了A、B两类,A类侧重于前瞻战略科技,B类侧重于基础与交叉前沿方向布局。

  不过,细心的人会发现,在A类先导专项的名单里,有一个特殊的条目——“江门中微子实验”。与所有其他专项都不同,“江门中微子实验”专项只为一项实验而设。

  回望过去,这个特殊的先导专项,曾因独特的国际竞争而提前诞生。5年来,它一步步为撑起中国中微子研究的新辉煌而前行。

  提前5年启动的项目

  江门中微子实验先导专项的诞生,还要从大亚湾实验说起。

  2007年10月,大亚湾反应堆中微子实验开工。热衷于“走一步看三步”的科学家们一边建着大亚湾工程,一边盘算着下一步还可以做点什么。

  现任中科院高能物理所所长王贻芳和研究员曹俊提出的“中微子的质量顺序测量”方案很快成为二期实验的首选。不过,二期实验能不能做,取决于一个前提——大亚湾实验测出的中微子振荡几率一定要够大。

  2012年3月8日下午两点,高能物理所召开了一场新闻发布会,王贻芳向世界宣布,大亚湾实验测到了中微子第三种振荡,振荡几率为9.2%。这一结果,远远超过他们最早期待的1%到3%。科研人员心里有数了:“后续的中微子实验能做!”

  最终,实验选址广东江门,距阳江和台山反应堆群皆为约53公里,由原先的“大亚湾中微子二期实验”更名为“江门中微子实验”。

  让人意想不到的是,项目的启动比预期中提前了5年。“2008年时,我们预计如果大亚湾实验结果比较好,十年后可以启动后续研究。”曹俊说。

  大亚湾实验结果公布之后,中微子质量顺序测量成为下一步的研究热点。美国、日本,甚至印度都逐渐明确了下一步的计划。“我们如果走常规的经费支持申请渠道,新的研究项目批下来至少还要四五年,到那时,这事儿就黄了。”曹俊说。

  于是,他们申请了先导专项的支持。2013年2月1日,唯一一个以单一实验项目为内容的战略性先导专项成立了。根据科学目标,“江门中微子实验”工程建成后将着力解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题:中微子质量顺序,同时开展超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等一系列国际领先的天体物理研究,巩固我国在中微子研究领域的国际领先地位。

  关键器件已实现国产化

  项目启动,技术挑战也随之而来。大亚湾中微子实验项目积累下来的经验,虽然为江门中微子实验建设提供了支撑,却无法解决新出现的所有技术问题。科研人员要面对的第一大挑战,就是高量子效率光电倍增管的研发。

  中微子看不见、摸不着,极难探测,被称为“幽灵粒子”。要想探测中微子,就需要极弱光探测技术,即光电倍增技术。该技术可以检测微弱光信号,具有极高的灵敏度和超快的时间响应,就像猎手敏锐的猎眼。光电倍增管是粒子物理及核物理实验的关键通用部件,其主要作用就是将光信号转换为电信号。

  当初,大亚湾中微子实验采用了2000多支8英寸口径光电倍增管,都是由美国合作者从日本购买。

  “对于江门中微子实验,这样的光电倍增管已经达不到要求。我们在2008年提出实验设想时就意识到了这个问题,设计了新型光电倍增管,启动了技术研发。但项目提前启动给研发带来了巨大的压力,直到2015年年底,我们仍然心里没有底,到底能不能成功。”曹俊告诉记者。

  2011年年底,由高能所牵头,北方夜视技术股份有限公司、中科院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成了产学研合作组。

  4年时间,他们攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳等多个技术难点,最终研制出量子效率、收集效率和单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际领先水平的样管。

  2016年11月,国内首条年产7500支20英寸光电倍增管的生产线建成运行。截至今年9月18日,江门中微子项目已经得到了2016支国产光电倍增管。

  “最高”和“最大”

  2015年1月,项目启动建设。中国科学院院长白春礼为此发来贺信:“我国科学家在中微子研究领域迈出的重大步伐,对于巩固我国在中微子研究的领先地位具有重要意义。”

  “江门中微子实验将致力于测量中微子的质量顺序,并进一步精确测量中微子混合参数,其土建工程规模约是大亚湾反应堆中微子实验项目的3至5倍。”王贻芳曾在接受《中国科学报》记者采访时说。

  按照实验项目的计划和判断,江门中微子实验项目不仅比大亚湾中微子实验工程规模大,还将是世界上能量“精度最高”“规模最大”的液体闪烁体探测器。“精度越高,能发现的内容就越多,因为或许就差那么一点点,我们就会错失认识世界的机会。”曹俊说。

  实验要求探测器的能量精度达到3%,比当前国际最高水平高1倍。要想实现“精度最高”,不仅探测光子的光电倍增管效率要高,发出光子的液体闪烁体也要效率高、透明度高。

  为测试透明度,科研人员拿出了大亚湾实验八台中微子探测器中的一台。“目前我们已经完成了20吨液体闪烁体的光学纯化和本底纯化,光学性能已经可以达到设计指标。放射性纯化方面,我们还在用大亚湾的探测器作进一步研究。”曹俊说。

  同时,江门中微子实验要求有2万吨液体闪烁体,比当前国际最大的液体闪烁体探测器大20倍,这为工程设计和建设提出了挑战。

  经过长时间评审讨论,项目最终选择用有机玻璃罐装液体闪烁体。这意味着工程建成后,江门的地下700米深处将有一个13层楼那么高的大玻璃球。

  今天,有幸到江门中微子实验工地的人,能够看到建设过半的巨大地下实验室。这是施工人员克服了多次万吨级地下涌水困难后建造出来的。而3年后,这里将成为科学家更清晰地观测“幽灵粒子”的地方,也将成为中国领先国际中微子研究的新平台。

  《中国科学报》 (2017-09-27 第1版 要闻)


 
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