神秘的中微子

军武

在广东江门，国家重大科技基础设施江门中微子实验装置正在紧张建设中。目前，位于地下700米的中心探测器有机玻璃球已经完成赤道层安装，预计2023年底完成整个探测器的建设，2024年开始运行取数。这是世界上最先进的中微子实验室，实验建造的中微子探测器将是世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。

什么是中微子

中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用希腊字母v表示。

中微子有三种类型：电子中微子，缪子或μ中微子，陶子或τ中微子。在目前已知物质世界的12种基本粒子中，中微子的种类占了四分之一。

那么，为什么要研究中微子呢？

我们都知道，根据宇宙大爆炸理论，我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。科学家相信，宇宙在大爆炸之初，同时产生了物质世界和反物质世界，只是反物质世界后来消失了。它到哪里去了呢？要揭示反物质世界的消失之谜，就要从现存的物质世界中寻找蛛丝马迹。

科学家研究后认为，中微子的历史十分古老，宇宙爆炸后几秒，它们就诞生了，所以它们携带了比光更早期的宇宙信息，其中就包含了反物质世界是如何消失的重大信息。科学家甚至认为，在100多亿年前，由于中微子的作用，反物质消失了，最终形成了我们的世界，如果破解了中微子的信息，就可以破解宇宙形成的秘密。

另外，构成地球的大部分元素实际上都是超新星爆发形成的，中微子带走了超新星爆发出的99%的能量。探测来自超新星的中微子，还能够告诉我们超新星爆发的机制。

站在实用角度来看，研究中微子也非常有意义。因为中微子个头小、不带电，质量非常轻，与其他物质的相互作用十分微弱，可以几乎不受阻挡地直线穿过山脉、海洋甚至星球，也不像光那样会受引力影响，所以中微子在运行过程中几乎没有什么能够阻挡它。这不是一种绝佳的通信工具吗？无论什么阻隔，都不会造成通信中断了！美国费米实验室就曾做过实验，成功地用中微子实现了通信，带宽为0.1bps（位/秒），误码率仅有百分之一。

除此之外，中微子探测器还有助于监控核反应的过程。毕竟核反应的环境非常危险，如果能用中微子探测器，就能不受阻碍地实时监测核电站反应堆的功率，并了解其燃料的反应情况。

为什么研究中微子的国家那么少

虽然中微子研究的意义很大，但世界上有资格研究它的国家却没有几个。原因很简单，研究中微子太难了。

地球大气层中存在着许多高能宇宙射线，会产生强烈的辐射和粒子干扰，这对于实验的正常进行会产生很大影响。所以要想建设中微子实验室，就必须在地层之下，最好是500米以下，让地层过滤掉干扰粒子的影响，还能提供比较稳定的温度、湿度，从而提高实验数据的准确性和可靠性。

在中微子实验室中，不仅要深挖洞，最关键的是中微子闪烁探测器部件。这个探测器部件外形像一个巨大的罐子，由数万吨的液体闪烁体和数万只光电倍增管组成。

液体闪烁体会被密封在由钢和有机玻璃制作而成的容器中，是探测中微子的介质，当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光。

液体闪烁体有两种：一是烷基苯，二是超纯水。这个超纯水和我们喝的纯净水不一样，它是经过严格的技术提炼出来的超纯水，电阻率一般大于18 MΩ.cm。这是什么概念呢？我们常见的绝缘体——木头，它的电阻率也只有15MΩ.cm左右，可以说超纯水比木头还绝缘。

液体闪烁体中将安装可以将光信号转变成电信号的光电倍增管，中微子在液体闪烁体中发生反应后发出的闪烁光可以被光电倍增管捕捉到。之所以这样设计，是为了给探测器一个“干净的环境”，把探测器放在很深的地下，就可以用岩石来阻挡宇宙射线；把探测器泡在液体闪烁体中，就可以用水来阻挡来自岩石、空气、灰尘的天然放射性。

这个中微子闪烁探测器部件的建造难度非常高。比如其水罐外壳，是一个不锈钢网壳，要用低放射性本底的不锈钢材料制成；里面是一个很薄的有机玻璃球，不仅要保证其装上几万吨液体而不被压塌，还要保证其重量不会把不锈钢网壳压坏。

至于里面的光电倍增管就更难了，它被称为“探测器眼睛”。这些椭圆形的“黄金瞳”可以将中微子的光信号转换成电信号，并放大1 000万倍，从而获取到其能量、位置等信息，交由计算机分析处理。

中微子探测一直被西方发达国家所垄断，目前全世界仅有4个中微子探测器，分别是日本的神冈探测器、加拿大的萨德伯里中微子观测站、美国厄文－密歇根－布鲁克海汶（IMB）探测器以及位于南极的 IceCube中微子观测站（美国）。加上苏联1977年在贝加尔湖底建设的巴克三中微子观测所，也不过5个。

正因为如此，世界中微子研究的成果也都掌握在这些国家手中，比如大麦哲伦星系的超新星爆炸1987A发射出10^58个中微子。其中仅有25个在地球上被探测到，包括日本神冈探测器探测到的12个，美国厄文－密歇根－布鲁克海汶（IMB）探测器探测到的8个，苏联巴克三探测器探测到的5个。

为何日本的神冈探测器探测到的最多？这是因为日本的探测器最先进，被日本人称为超级神冈探测器。超级神冈探测器位于地下1 000米，其高约40米，直径约39米，当中有着11 200个光电倍增管，光超纯水就有5万吨。

虽然这个探测器花了日本150亿日元，但仍然是值得的，因为它给日本带来了两个诺贝尔奖。

中国人不会缺席中微子研究

美国目前也计划在南达科他州桑福德地下研究中心地下1.5千米深处建设一个新的世界最大的中微子探测器。

为了打破西方国家对中微子研究的垄断，2003年，中国科学院高能物理研究所的科研人员提出设想，利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡。

2012年3月8日，大亚湾实验室拔得头筹：发现了中微子第三种振荡模式，并精确测量到其振荡概率。年底，大亚湾中微子实验成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破。

但是，因为实验条件有限，要想取得更好的实验效果，就需要更好的探测器。

为此，2013年，江门中微子实验项目立项了。江门市距离阳江、台山两处核电站均为53千米，两大反应堆全面建成后总功率居世界第一，可获得双倍的实验样本。可以说，这里是目前全球最适合做中微子实验的地方。

为了建设这个江门探测器，中国克服困难，实现了很多工程物理学上的奇迹。

比如探测器中的不锈钢网壳，是国内最大的单体不锈钢主结构之一，直径41米，将承载35.4米直径的有机玻璃球、20 000吨液体闪烁体、20 000只20英寸光电倍增管、25 000只3英寸光电倍增管，以及前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多关键部件。

仅仅这个网架，就耗费了900吨钢材，由12万套高强螺栓才能固定。网架内部是世界上最大的单体有机玻璃结构——直径35.4米、厚度却仅有120毫米的有机玻璃球。虽然“薄如蛋壳”，却有着极强的坚固性。科研人员采用了本体粘接工艺，让263块玻璃板浑然一体，完全看不出一点儿拼接的痕迹。

还有其中的4.5万只光电倍增管，数量为日本超级神冈探测器的4倍，如果从国外进口，就意味着造价要远超日本神冈探测器。最终，中国科研工作者花费巨大代价，实现了光电倍增管的国产化，打破了国外30多年的垄断。

如今，江门中微子实验室已经建造了10年，与美、日相比，江门中微子实验室将最早建成，也最有希望率先测得3种中微子的质量顺序。

明确这个顺序，有助于人类进一步理解中微子的质量起源和解决宇宙反物质消失之谜，而且会决定后续实验的发展方向，是国际公认的中微子研究的当务之急。如果能取得这个突破，拿个诺贝尔奖就是妥妥的。

要不了多久，江门中微子探测器内就会充满数万吨的液体闪烁体。它们将和数万个光电倍增管一起，静静等待中微子点亮。