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【深圳特区报】地下700米深处建造世界最大中微子探测器 江门中微子实验室将为中微子“称重”并排序
2021-01-18|文章来源:深圳特区报记者 古国真 李 竹/文 |【
 

  在江门开平市金鸡镇,一座不起眼的花岗岩山体不时传来隆隆的机器轰鸣声。在这座山体之下700多米深处,施工人员正在紧张挖掘着一个迄今世界最大的实验洞室。

   

  ▲实验室位于在地下700米的山洞里,实验室呈圆形,从底部到顶部落差70米,正在进行开挖施工。 

  这就是江门中微子实验室的建设现场。

  近日,记者来到施工现场,见到了中科院高能物理研究所研究员、江门中微子研究中心主任李小男。作为中国两代中微子实验的见证人之一,李小男向记者讲述了江门中微子实验的“前世”和“今生”故事,一个由中国人主导的、有望冲击诺贝尔奖的世界先导性基础科研项目“轮廓”逐渐在记者脑海中清晰起来。

  大亚湾实验为江门实验奠定良好基础 

  讲到江门中微子实验之前,不得不提到它的前身——2020年12月12日刚刚宣布退役的“深圳大亚湾中微子实验”。

  近代物理学研究认为,物质世界是由12种基本粒子组成的,而这12种粒子中有3种是中微子。学界有一种理论叫做“标准模型理论”,描述了我们物质世界是怎么由这12种基本粒子组成的。在标准模型里,中微子是不带质量的。但是,科研人员在实验中发现了中微子的振荡现象,这意味着中微子是有质量的。

  而深圳大亚湾实验则进一步发现了新的中微子振荡现象!

  这个由中国人主导的、历时9年的大亚湾中微子实验成功发现了中微子的第三种振荡模式θ13,且实验达到了前所未有的精度。在此之前,中微子前两种振荡模式“太阳中微子之谜”(θ12)和“大气中微子之谜”(θ23)已被证实。由于第三种中微子振荡的相关实验长期未果,因此有理论预言它根本不存在。然而,大亚湾实验改变了这个预言。

   

    

    

  工人在隧道尽头俯瞰实验井。 

  李小男说,中微子混合角θ13的发现,是我国中微子研究的里程碑,其重大意义体现在两方面:一方面是在技术上实现了一系列突破,例如研制成功拥有完全自主知识产权的中微子测量仪器——大尺寸微通道板型光电倍增管,打破了国际垄断;另一方面是系统培养了一批从实验室建设到物理分析全程参与的科研人才,他们也将成为江门实验的主力军。而这些都是未来开展江门实验的底气。

  “大亚湾实验成果获得了2016年度国家自然科学奖一等奖,并被国外同行誉为‘中国有史以来最重要的物理学成果’,由此,我国的中微子研究就一举跨入了国际领先地位。”李小男自豪地说。

  退役前,大亚湾实验已将中微子振荡振幅的测量精度从2012年的20%提高到了3.4%,预期最终精度将好于3%。但由于大亚湾实验已达极限,无法再提高精度,最终宣布退役。

  预计在2023年整个实验室可以投入运行 

  今天的江门中微子实验室又将承担什么新的科研任务呢?

  “在这里,我们要为中微子‘称重’。”李小男说。跟随李小男走进江门实验的办公楼,入眼便看到墙面展板上写着“中微子下一个挑战目标——测量中微子质量顺序”。

   

  李小男介绍,中微子质量顺序实验将分两步进行:第一步是通过对中微子振荡波形分析,确定目前已知的三种中微子的质量顺序,判断三种中微子谁重谁轻,这项研究预计5至6年后能得到结论;第二步将实验升级改造,确定中微子质量的具体大小,同时与无中微子“双贝塔衰变实验”一起研究,判定中微子是否为其“反粒子”,这是影响中微子天文学和中微子宇宙学的重要因素。令人振奋的是,双贝塔衰变是最稀有的衰变之一,一旦被观测到,可以得到一些最基本的物理学线索,将有望冲击诺贝尔奖。

  那么江门实验室将如何建设才能满足实验要求?

  李小男介绍说,尽管中微子充斥整个宇宙空间,但其质量极轻、接近光速运动、极少与其他物质相互作用,被称为“幽灵粒子”,很难被捕捉到。由于核反应堆发电的过程中会产生大量中微子,是很强烈的中微子源,因此实验站一般选址在核电站附近,这样更有利于捕捉到中微子。这就是为什么江门实验室建在阳江、台山核电站附近的原因。

  李小男说,地球外的带电粒子叫宇宙线,会产生很多信号,而中微子本身的信号非常弱,如果实验室建在地面上,宇宙线产生的信号会把中微子信号全部掩盖掉。为了屏蔽地球外的带电粒子,中微子实验室一般都是建在地下,通过山体或者地球的覆盖层,把带电粒子屏蔽掉。

  除了有宇宙线影响以外,我们周边的放射性岩石或者空气中的放射性,甚至人体中的放射性,都可能对实验产生影响,所以实验设施都是泡在水里的,而且这个“水”必须是纯净水,通过纯净水把周边的带电离子屏蔽掉。

  因此,江门实验室要在地下700米深处挖一个实验洞室(又称实验大厅),然后在实验大厅还要向下挖一个46米深的水池,把中微子的实验设备泡在水池子里。

   

  这个实验设备叫做中微子中心探测器,是一个直径35米的有机玻璃球。在有机玻璃球里要灌上2万吨的液体闪烁体,通过液体闪烁体来捕捉和研究中微子(见《江门中微子探测器示意图》)。这就是整个实验的一个布置。

  "所以我们的工程在2015年1月10号开工建设,主要分成两步:第一步得把实验洞室挖出来。现在水池的底部已经露出来了,2020年底基本结束水池的挖掘。

  洞室挖出来以后,第二步要安装实验设施,大概需要两年半的时间把实验设施安装到地下洞室中去。完成以上两个步骤,预计在2023年整个实验可以投入运行。"

  建成后的江门实验室将拥有两个世界“最大”:国际上最大的科研实验洞室和国际上最大的中微子中心探测器。

  将安装国际上最大超高纯净度液闪探测器 

  江门实验整个工程建设包含地面、地下两部分。地面建筑包括装配大厅、绞车房、地上动力中心等;地下建筑包括斜井、竖井、实验大厅(即中心洞室)、附属洞室。目前,地面建筑以及地下实验大厅的两个入口——1267米的斜井、564米的竖井已完成建设。

  实验室配套基建工程项目经理戚敬师介绍说,地下实验大厅是一个跨度达50米的中心洞室,从大厅挖下去的水池有46米深,从大厅向上挖到穹顶处为27米,整个洞室总高73米。洞室穹顶全依靠山体岩石自身的稳定性来支撑,穹顶到地面不能有任何柱子支撑;水池内面衬砌需要用混凝土进行浇筑,这相当于给一座十二、三层楼高的楼体墙面浇筑,并要做到不能有渗透、漏水。此外,地下体感温度超30℃,大量地下水随时喷涌。在这种高温高湿状态下施工,其难度可想而知。可喜的是,2020年末,实验水池施工已基本完成,开始进入基建电气设备安装阶段。

  “你看到的所有基建,全是为了中微子探测器服务,它才是捕获中微子的武器。”李小男透露,未来,探测器关键部件——有机玻璃球,以及在水池中支撑玻璃球的不锈钢网架生产出来后,会运到地面的装备大厅简单组装,再通过斜井运往地下水池完成拼装,最后通过竖井从地面将高纯水灌满已经放置了有机玻璃球探测器的水池。

  探测器如何捕获中微子?李小男介绍,探测器里装满透明的液体闪烁体(简称“液闪”),液闪主要成分是用来制作洗衣粉的化工原料烷基苯。当捕获中微子时,液闪将发出微弱的闪光,闪光被安装在探测器表面的类似灯泡的光电倍增管捕捉,并将微弱的光信号转换成电信号,通过计算机再转换成数字信号后就可为科研所用。

  值得注意的是,江门实验的探测器可容纳重量达2万吨的液闪,比大亚湾实验的20吨大了整整1000倍;同时,探测器的关键部件有机玻璃球直径达35.4米,为国际最大;不锈钢网架直径也长达40.1米。建成后它将成为国际上最大、拥有国际最好能量精度与超高纯净度的液闪探测器。

  未来,这个大型探测器表面将铺满近1.8万个20英寸直径的圆形光电倍增管,在这些光电倍增管之间形成的缝隙空间再铺设3万个小型光电倍增管,以使探测器表面尽可能多地覆盖大小光电倍增管,从而能捕获到更多的中微子。目前江门实验的探测器光电倍增管覆盖率设计达到78%。从《江门中微子探测器示意图》可以看到,整个探测器若一颗金黄闪亮的玻璃球。

   

  探测器的容量扩大是为了能够捕捉到更多的中微子事例,但也为前期的建设带来了巨大难题,比如:对液闪透光度的把握、有机玻璃球的制作、大尺寸光电倍增管的研发等都是巨大的考验。“在大亚湾实验室直径5米的探测器中,中微子的光子只用跑5米就能被光电倍增管捕捉;但在这个35米直径的探测器中,中微子的光子至少要能够在液闪中跑20米,这需要极高的透光度。”李小男表示。

  目前,探测器研制的诸多关键技术难题均已攻克,比如高性能的液体闪烁体已完成中试研究。李小男说,预计2021年中将完成基建施工并开始探测器的整体安装,2023年开始运行取数。

  将通过中微子探测手段 

  研究天体自然现象 

  目前,国际上能与江门实验竞争的有两大实验,分别是美国沙丘实验、日本顶级神冈实验,他们均可测量中微子质量顺序。不同的是,美、日研究是通过加速器实现人工产生中微子来进行研究。“研究人工产生的中微子,其缺点在于数目少,但能够精确知道中微子产生的方向,可降低测量难度;我们研究的中微子相当于核反应发电的附属产品,其方向、能量不确定,会给实验增加难度,但核反应产生的中微子数量非常多,容易捕捉到,这是我们的优势。”李小男解释道。

  李小男进一步向记者“科普”道,太阳、地球包括超新星爆发等等都会产生中微子,我们通过观测这些天体发射的中微子,就可以研究天体的一些现象,比如太阳的内部结构,地球的内部结构等。因此,江门实验的意义在于,既可以研究中微子本身的性质,还可以通过中微子这个探测手段去研究天体的自然现象。

  李小男以超新星爆发为例解释说,超新星爆发的能量99%是通过中微子释放出来,探测百年难遇的“超新星爆发中微子”是江门中微子实验的一个重要课题,该课题将有利于揭示宇宙形成的奥秘。

  “依靠即将建成的国际最大液闪探测器,江门实验对中微子的研究会更加广泛,这是江门实验最重要的意义所在。”李小男说。

  中微子研究已成为现代物理研究的热门领域,自从上世纪30年代人类发现中微子到现在,在中微子领域颁发的诺贝尔奖就已经有4人次。因此,江门实验的科研成果也格外值得期待。

  但李小男对于江门实验的最终成果能否获得诺贝尔奖却显得很平和,他笑着说:“实际上诺贝尔奖是可遇而不可求的。从科研的角度来讲,我们首先要完成科研任务,而并不是奔奖去的。当然我们的科研目标可以是诺贝尔奖级别的,但所谓诺贝尔奖也好,国家自然科学一等奖也好,都是一个同行的承认而已,我们并不追求这个东西。我们现在能做的就是在现有的技术基础上,尽可能地优化实验设计,剩下的就是等待实验给我们带来的惊喜!”。

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江门实验奠定中国中微子研究领域国际领先地位

  江门中微子实验室地面建筑。 

  ■深圳特区报记者 古国真 李竹

  “如果说大亚湾实验是我国中微子研究的起点,那么江门实验无论从工程还是物理的角度来看,都是一次巨大的跨越。” 中科院高能物理研究所研究员、江门中微子研究中心主任李小男掷地有声。

  江门实验被定义为“跨越”的实验

  深圳大亚湾中微子实验是我国在历史物理研究里第一个“由我主导”、在中国本土上进行的中微子实验,是我国在中微子研究这个领域的一个打基础、里程碑的实验。有了深圳大亚湾中微子实验,我国中微子领域研究一举跨入国际领先地位。在2012年发现新的中微子震荡后,中科院就启动了江门中微子实验建设。

  从工程规模来看,彼时大亚湾实验总投资仅2.6亿元人民币,而江门实验总投资达22亿元人民币(含国际合作贡献2亿元人民币);从实验影响力来看,大亚湾实验成立的国际合作组有7个国家和地区、31个研究机构、180名研究人员参与,而江门实验则有17个国家和地区、77个研究机构及大学、450名研究人员(包括境外人员约200人)参与,实验影响力不断增大;从物理学研究角度来看,深圳大亚湾实验对于中国的中微子研究是一个“起步”实验,江门实验则是一个被定义为“跨越”的实验。通过江门实验,将基本上奠定中国在中微子研究领域的国际领先地位。

  选址有科学讲究

  为什么中微子研究都选址在核电反应堆附近?这是因为我们要研究中微子,首先得有中微子的“源”。李小男介绍说,太阳的核聚变、放射性元素衰变、核反应堆的核裂变等都是中微子的来源。但核反应发电时产生的中微子数量更多,每秒能产生上万个中微子,更易被探测器捕捉到。

  为寻找符合条件的地域,李小男回忆道:“大部分核电站建在海边,2012年10月起,我们沿海一直走,途经惠州、东莞等市,南下行至江门开平,在金鸡镇发现了满足所有建设条件的山体。”

  最终,江门实验选址定于金鸡镇一座山体之下,距阳江、台山核电站各53公里。根据物理灵敏度分析,实验站范围在距核反应堆50至55公里处,中微子振荡现象最大,最有利于测量中微子的质量。同时,二类花岗岩是唯一能保持地下洞室稳定性的地质材料。为确保中微子振荡守恒,江门实验站与两个核电站等距,构成“等腰三角形”。

  建成后将成为科普基地

  江门实验站跟深圳大亚湾实验站不一样。大亚湾实验站在设计时有实验周期;但江门实验站实际上是一个永久的实验设施,这是因为江门实验研究的内容非常广泛,相当于一个气象站或者天文台一样,它将是一个永久的实验室。

  大亚湾实验已于2020年12月12日光荣退役,而江门实验站还要2年才能完全建好,这期间我国中微子研究的进程是否会停滞?李小男介绍说,大亚湾实验站现刚刚关闭,其设备拆卸撤场工作预计在半年内完成。大亚湾实验运行接近9年,累积了大量中微子事例数据,需要经过1至2年才能完成全部数据分析,出最终物理结果。按照计划,当2年后大亚湾数据分析完成时,江门实验站也刚好建设完毕,届时两项实验的科研工作可以顺利衔接。

  李小男透露,江门中微子实验站建成后,其地下实验大厅获取到的数据将自动直接传回北京高能所做相关计算及分析。届时,地面装配大厅将改建成高能物理或中微子科普展览馆,同时开放地下实验大厅,以预约制的形式对公众开放。

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记者深入地下700米隧道直击实验室施工现场

  在地下700米处,施工隧道星罗棋布。  

  ■ 深圳特区报记者 李伟文 文/图

  江门中微子实验室目前正处于最紧张的土建施工阶段,在工程师带领下,2020年12月23日,记者深入施工现场,实地探寻建设中的实验室。

  换上长雨靴,带上安全帽,穿上反光服,记者穿戴整齐,向秘境进发。一条笔直的隧道倾斜而下,坡度约30度,深不见底,记者坐着缆车一路向下向地壳深处探寻。陪同的工程师介绍,这个隧道有1000米长,落差700米。因为中微子实验室需要很洁净的环境,要用厚厚的地壳过滤各种宇宙射线,因此选址的地质条件很严苛,必须是花岗岩地貌,岩层中不能有放射性元素,江门一带都是低矮的丘陵,为了获得足够厚度的岩层过滤宇宙射线,只有往地底下深挖,把实验室建在在地下700米的地方。

  过了约20分钟,缆车停了下来,下了缆车进入另一条隧道,这条隧道坡度和缓近似水平,让人惊讶的是隧道底部一侧居然有一条小溪流。工程师说,这里地下水丰富,从岩缝里流出的地下水汇入隧道,为了排水,他们在隧道底部挖了凹槽,每隔几百米在挖一个深池,把地下水收集起来再抽到地表。这里地下水水量很大,每小时要抽走5百立方米地下水,一天24小时抽水不能停顿。为什么不把岩缝堵住?一是水量大,二是水压大,所以无法堵住。工程师说他们施工最大的难点就是地下水,南方的地下水非常多,有一次施工人员刚凿开岩层,巨量的地下水喷涌而出,工人拼命逃离,地下水很快漫上来,最后在水快要灌满的时候他们逃到了竖井安全脱险。

  沿着隧道往下走约20分钟,轰鸣声骤然加大,一个巨大的圆坑出现在眼前,圆坑深约40米,往上看是一个巨大的穹顶,穹顶约有30米高,圆坑和穹顶之中没有一根柱子,支撑巨大的穹顶全靠岩石的张力。虽然没有柱子,但穹顶却很坚固,工程师说穹顶和圆坑四壁布满“铆钉”,“铆钉”深深扎入岩体,把岩石牢牢固定住。站在圆坑边沿往下看,40米深的底部3台钩机正在作业,把打碎的岩石送到运送石料的斗车上,目前还处在基坑施工阶段,圆坑四周和穹顶喷铸了一层混凝土,但还没有做细致的表面处理。

  地壳深处700米的地方,闷热高湿,温度约30度,湿度达到90多,湿度几乎饱和,记者站了一会就浑身湿透,而施工人员在井下一呆就是大半天,不由得对他们肃然起敬。

  记者站立的地方处在实验室的平层,下方的圆坑将放置实验装置。工程师介绍说,2021年中旬,实验室将完成土建,设备安装还需要2年时间。实验室建成后,这里将诞生一个世界级的科学装置,在地壳深处探寻宇宙的秘密。 

  (源自《深圳特区报》2021-01-15要闻版 地址:http://sztqb.sznews.com/PC/layout/202101/15/node_A04.html#content_977369


 
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