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12层楼高的水晶球逼幽灵粒子现身

2019-03-20 08:23 来源:科技日报

  两座核电站之间,700多米深的花岗岩下,正开掘一个巨大的空洞,容纳一个12层楼高的水晶球。这个水晶球,将浸泡在一个灌有3万吨纯净水的池里,被钢架栓牢。圆柱体的水池,直径43.5米,深44米。水池上方是各种测量设施。

  中科院高能物理所供图

  两座核电站之间,700多米深的花岗岩下,正开掘一个巨大的空洞,容纳一个12层楼高的“水晶球”。来自球中的一次次闪烁,将吐露中微子的身世秘密。

  位于广东的正在建设的江门中微子实验装置,是中国前所未有的最复杂的高能物理实验装置。与当前最好的国际同类装置相比,它的规模大20倍,精度提高近一倍。

   世界最大的有机玻璃球

  中微子被称为幽灵粒子,为侦测它,人类不得不大费周章。如今,江门地下中微子实验观测站(JUNO)被物理学家寄予厚望:精确地测量中微子的一些基本特性。

  宇宙里到处都是中微子。每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。中微子很难跟其他物质反应,穿行宇宙如入无物之阵。现代的中微子实验都会用巨量的靶物质作为陷阱,提高捕获中微子的几率。

  JUNO的核心,是一个直径35.4米,厚12厘米的空心有机玻璃球。造这么大,是因为里面要灌上2万吨的液体(叫做液闪)作为靶物质。

  这是人类造过的最大的有机玻璃球。中科院高能物理所所长王贻芳曾告诉科技日报记者,目前世界上用于粒子物理的有机玻璃球,比它小20倍;水族馆的有机玻璃水箱也比它小得多。

  这个水晶球的意义,是用透明的介质,分开里面的液闪和外面的水。中科院高能物理所研究员曹俊说,这个有机玻璃球必须非常透明,同时结实。

  “12层高的空球,就像房子一样可能垮塌。其他材料造不出来,用有机玻璃也很难。因为有机玻璃很容易裂。”曹俊说,“没有造这种球的国家标准。我们自己建造了一个力学实验室,自己做出一套标准。”

  这个水晶球的准备工作已经就绪。当实验大厅开掘完毕后,它将在现场搭建, 因为几十米的球无法通过隧道。

  最大的地下人工洞穴

  JUNO的前辈是大亚湾中微子实验装置。它们都利用了核裂变反应释放的海量中微子。不同的是,大亚湾侦测的是一个核电站的中微子;而JUNO则同时利用两个核电站,10个反应堆的中微子。

  位于广东的阳江核电站将建6个反应堆,台山核电站将建4个反应堆。JUNO距离两者都是53公里。

  曹俊告诉记者,如探测器到多个反应堆的距离不相等,中微子能谱上的小结构就会互相抵消(就像正弦信号的波峰波谷会抵消)。根据计算,应在距离两个核电站均为53公里的一个宽200米长2公里的矩形区域设置探测器。

  53公里很远,从反应堆来的中微子流会变弱。所以,JUNO与大亚湾探测器相比,靶物质增重一千倍。JUNO的大玻璃球,将浸泡在一个灌有3万吨纯净水的池里,被钢架栓牢(以克服3000吨的浮力)。圆柱体的水池,直径43.5米,深44米。水池上方是各种测量设施。

  容纳这一切需要一个直径50米、高70米的巨型大厅。JUNO被设计在700多米的花岗岩山体下,以屏蔽宇宙射线干扰。

  为此,JUNO正在山里凿出国内最大的地下洞穴。这也带来了很多麻烦,打隧道和开挖大厅,都碰上了涌水,这使土建工程出现延期问题。项目组一边灌浆堵水,一边抽水。他们不敢全部堵住出水点,避免洞穴外围承压太大带来垮塌风险。

  精心调配的液体

  中微子是这样被侦测到的:一个中微子撞上了一个质子,就化为一个中子和一个正电子。正电子随即湮灭放出一道光。中子则加入某个原子核,不稳定的原子核很快分裂并放出γ光子。因此,一先一后两道光,就是中微子碰撞的迹象。

  科学家制备液闪,要它具备三个性质:质子特别多(创造机会让中微子撞);特别透明(微光能射出去);尽量不带放射性(避免发出没用的信号)。

  大亚湾实验中,中国科学家调配出了当时世界上最好的液闪。而在JUNO,他们改进了配方,液闪质量达到了新高。

  这种液闪主体是烷基苯,加上一些特殊的配料。它比纯净的游泳池还要透明得多,光线穿过几十米,衰减不大。

  曹俊说,为降低液体天然的放射性杂质(比如气态的氩、氪、氡,或固态的铀),要通过三氧化二铝过滤、减压蒸馏、水萃取、蒸汽剥离一系列工序,相当于把几万吨的液体“洗一遍、蒸一遍”。

  实际上,JUNO的有机玻璃球材料,以及其他各种器材的材料,也要经过处理以消除放射性。

  看到微光

  JUNO在测量中微子的同时,也会接收到大量的无用信号。水池和水池顶部的一些探测器,就是用来专门探测宇宙射线,以将相关信号排除出去。

  曹俊介绍说, 2万吨液闪每天只能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子、以及90个太阳中微子。与之相比,尽管山体遮挡让宇宙射线强度降低20万倍,宇宙射线干扰信号每天仍有10万次。

  JUNO装了四万多只世界上最灵敏的眼睛——18000个20英寸的和26000个3英寸的光电倍增管。光电倍增管可以将微弱的光转化为电信号。由于JUNO要求极高的能量分辨率,之前的商业产品达不到标准。为此国内几家企业和研究所联合攻关,已经研制出探测效率世界最高而且便宜的产品。

  光电倍增管外形像大灯泡,内部是真空的,多年泡在水池里是有风险的。科学家考虑到:如果某个“灯泡”裂一点缝,水瞬间吸入真空,在空间中心反弹,会形成激波。这种波破坏力极大,会引发连锁反应,毁掉其他的光电倍增管。

  为此,他们给光电倍增管特制了一种保护罩,即使受损,水也不会急速涌入形成激波。

  “解决这些问题,喜欢物理的科学家可能觉得不那么好玩,比较繁琐。但要做出比较重要的科学成就,必须要承担这些麻烦。”曹俊说。

  在粒子物理标准模型中,中微子是没有质量的,而中微子振荡表明它具有质量,这是一个超出标准模型的实验现象(暗物质是另一个标准模型无法解释的谜题)。所以中微子研究是现有理论的一个突破口。

  JUNO可能在2021年试运行。它将以相当高的确信度,回答至关重要的“中微子质量顺序”的问题,并精确测量多个中微子参数,为物理学大厦添上重要的一块砖。

(责任编辑:王蔚)

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