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为捕获“幽灵粒子” 中科院建12层楼高的液体玻璃球

时间:2019-12-30 来源:新华网 作者:全晓书,王攀,荆淮侨 本文字数:2424字

  在一个12层楼高的玻璃球里注入透明液体,中国科学家打算造一个全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“幽灵粒子”--中微子,从而找到通向物理新世界的大门。

  他们将把一个直径达35.4米的有机玻璃球安装在广东省江门市西南部的打石山中。施工人员已经在700多米深的花岗岩下方挖出一个空洞,作为未来的实验大厅。

  “我们一直在不停地抽排地下水。现在,水位已明显降低,相信很快就能排干净。”江门中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳近期介绍项目进展时说。

  江门中微子实验(JUNO)于2015年1月开工建设。若顺利,明年年中,施工人员将开始在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

  这是中国最复杂的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际同类设备相比,它的规模要大20倍,精度提高近一倍。

JUNO探测器示意图

JUNO探测器示意图(中科院高能所供图)

“幽灵粒子”

  中微子是组成自然界的一种基本粒子,在宇宙中广泛存在。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,例如太阳发光、超新星爆发、宇宙射线、核反应堆发电等。

  中微子也是目前最神秘的粒子之一。它们不带电,质量极小,几乎不与其他物质发生相互作用。它们如幽灵一般穿透地球,来无影去无踪,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。

  正因为中微子不会像光子、电子一样,与其他粒子相互作用,它们所携带的关于恒星、黑洞乃至整个宇宙的“核心秘密”,吸引着好奇的人类。

  它们可以直接穿过剧烈“燃烧”的恒星内部而不被吞噬,成为人类了解恒星中心核反应过程的媒介;它们在宇宙诞生之初就已存在,且不像光子在宇宙大爆炸38万年之后才结束和其他粒子相互作用开始传播,所以也是研究宇宙最早期历史的载体。

  上世纪50年代,科学家首次观测到中微子的存在,后来又发现中微子其实有三种,分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞行时可以“一人分饰三角”,在三种类别之间相互转化,这也被称作中微子振荡。

  在这个领域,中国是后来者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子实验室宣布发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的一个重要里程碑。

  但是,中微子仍有太多未解之谜。江门中微子实验副发言人、中科院高能物理所研究员曹俊指出,中微子很难探测,很多实验研究进展有限,就是因为捕捉到的中微子信号太少,数据太少。

JUNO规划图

JUNO规划图(中科院高能所供图)

超级玻璃球

  探测中微子,一种办法是通过液体闪烁体探测器来捕捉它们产生的信号。

  科研人员在有机玻璃球里注入透明的特制液体--液体闪烁体(简称“液闪”),当中微子穿过球体时,会有一定的几率和液体里密布的氢核发生反应。每一次反应产生一个正电子和一个中子,正电子随即湮灭释放出一个快信号,中子则在反复碰撞后被其他氢核吸收并释放出一个慢信号。一前一后两次闪烁,就透露了中微子的行踪。

  为了提高探测灵敏度,JUNO的选址经过精心测算。实验室建在地下,以屏蔽宇宙射线的干扰;距离阳江核电站和台山核电站都是53公里,可以同时利用两者释放的海量中微子,并画出更精细的中微子能谱图。

  但是,较长的距离也会造成中微子流的“稀释”,就好比放烟花,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闪探测器--日本的KamLAND探测器还要大20倍,后者注入了1000吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,才能尽可能多地“俘获”中微子。

  “探测器越大,捕捉到的信号就越多,数据量就越大,就越能看到别人所看不到的。”曹俊说。

  根据设计方案,JUNO会由265块有机玻璃板现场组装而成,并被钢架固定在一个装有约4万吨纯净水的大池中。

  这么大的玻璃球,给工程建设带来了挑战。江门中微子实验项目组先后请来几个知名力学团队帮忙设计,并搭建了专门实验室,测试有机玻璃的力学性能和老化情况,还造了一个直径3米的小球来验证计算和测试是否准确。

  “经过实验证明无误后,我们才把这套算法用来设计大的探测器。我们要确保它能运行30年。”曹俊说。

小球模型吊装

为确保12层楼高大球的设计安全无误,科研人员先造出直径3米的小球,进行模拟实验
图为小球模型吊装(中科院高能所供图)

“捕获”微光

  仅仅把探测器造很大,还不够。中微子引发的闪烁非常微弱,肉眼无法看到。科研人员还要调配出极其透明的液闪,并在玻璃球外安装数万个光电倍增管,才能让微光“显形”.

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“我们在南京找到了符合条件的厂家,生产出特制的液体,直接导入罐装车,运往南方的实验室。”曹俊说。

  在注入玻璃球前,为了清除运输过程带来的污染,科研人员还要把液体又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学干扰和天然放射性;往液体里加两种发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这可以说是世界上最透明的液体,多么微弱的光都可以透过。”曹俊说。

  穿过液闪的光子,随即会被密布在球外的2万个20英寸光电倍增管和2万5千个3英寸光电倍增管“捕获”.这些光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,可以看到任何信号微澜。

  20英寸光电倍增管制造难度很大,其中15000个由国内研发生产。“最初,JUNO打算全部从国外采购,但当时只有日本一家公司生产,光这一项就要花费整个项目40%的经费,而且信号收集效率也达不到要求。于是,我们决定自主研发。”JUNO光电器件性能标定实验室的朱瑶回忆说。

科研人员正在测试光电倍增管性能

科研人员正在测试光电倍增管性能(中科院高能所供图)

  从2009年成立至今,朱瑶所在的实验室奋斗了10年,钻研出一套和国外产品完全不同的技术方案。

  “光子进入光电倍增管,会被转化成电子,经过微通道板多次倍增后,一个电子可以变成一千万个电子,信号就被放大了。我们研发的微通道板,是将一根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一起,然后切片,不仅倍增效果好,收集效率高,还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

  未来,这些被放大的光电信号或许可以帮助科学家解开一个重要的谜题--中微子的质量顺序,即三种中微子哪个最重。

  “中微子的质量顺序是自然界的基本参数之一,影响宇宙的演化进程。知道了质量顺序,可以为其他研究铺路。”曹俊说,“理论家一直试图建立统辖宇宙万物的大统一理论,质量顺序是检验这些理论是否正确的钥匙。”

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