揭秘 “深藏”地下的实验室江门中微子实验装置

武建华

 安装中的液闪蒸汽剥离纯化装置

深藏在地下700米的江门中微子实验探测器，是中国为研究中微子而建设的大科学装置。这个神秘的探测器长什么样？它为什么要建在地下那么深的地方？又是如何探测中微子的呢？

浸泡在水池中的探测器

江门中微子探测器位于广东省江门市开平市金鸡镇打石山。为了屏蔽宇宙线，它被安装在地下700米处，实验厅跨度约50米，是目前中国跨度和土石方量最大的地下实验硐（dòng，山洞）室。

江门中微子探测器是一个有效质量为2万吨的液体闪烁体探测器，比目前国际上最大的液体闪烁体探测器大20倍；设计能量精度为3%，比国际上能量精度最佳的探测器提高了1倍。

江门中微子探测器的“十八般武艺”

测量中微子质量顺序。中微子质量顺序决定了中微子的味结构，直接影响中微子与其他物质的相互作用，并在宇宙演化、太阳及超新星中微子的产生与传播中有重要影响。

对中微子混合参数进行精确测量。其精度将比目前实验的精度提高10倍以上。

探测超新星爆发时射出的中微子。超新星爆发时，大约99%的能量在10～30秒内以中微子的形式被发射出来，并产生大量不同能量、不同味道的中微子。对于典型的超新星爆发，江门中微子探测器一次可以探测到5000～8000个中微子。

有望首次判定地球物理模型。地球内部的铀、钍（tǔ）放射性元素产生的地热是驱动地球演化的主要因素之一。它们衰变产生的中微子被称为地球中微子。不同的地球演化模型预言了不同的铀、钍含量，江门中微子探测器能够更准确地探测地球中微子，有望首次判定地球物理模型（用来研究和解释地球形势、天气和海洋形势等地球特性的科学理论和方法）。

江门中微子实验探测器示意图

寻找“隐形人”的利器

光电倍增管是江门中微子探测器的核心器件之一，被广泛应用于科学研究和工业领域。它像眼睛一样，捕捉液闪发出的闪烁光，将其转变成电信号记录下来，再分析是不是由中微子发出的。

液闪既是中微子的靶物质，也是探测中微子的介质。江门中微子探测器的液闪由烷基苯、PPO（聚苯醚）和bis-MSB3種物质混制而成。烷基苯是溶剂，PPO是发光物质，bis-MSB是波长位移剂，吸收PPO发出的光并重新发射，将光谱调整到光电倍增管灵敏范围内。

江门中微子探测器使用的液闪，其主要挑战来自极低本底（进行某种检测，如放射性检测等，没有进样时检测器测得或输出的信号值）和极高透明度的要求。在此前的大亚湾核反应堆中微子实验装置（2020年12月正式退役）中使用的液闪，其透明度在当时已是国际上最好的水平，但如果直接用于江门中微子探测器，约70%的光仍旧会损失在液闪中而无法被光电倍增管“看到”。

 已安装的光电倍增管

 安装中的液闪蒸汽剥离纯化装置

为进一步提高烷基苯的透明度、降低液闪的放射性本底水平，研究人员为江门中微子探测器精心设计了4套大型纯化设施——先将2万吨的烷基苯“滤”一遍、“蒸”一遍，混制成液闪后再“洗”一遍、“吹”一遍。通过氧化铝过滤吸附杂质，提高烷基苯的透明度；通过蒸馏和水萃，去除液闪的放射性杂质；最后，用气体剥离去除残存的氡气和氪气。

江门中微子探测器中，直径41米的球形不锈钢网壳是目前中国最大的单体不锈钢主结构，由预制的H型钢通过12万套高强螺栓拼接而成。其结构制造精度要求连接孔与环槽铆（mǎo）钉的安装间隙不超过1毫米，球形网壳网格拼装精度小于3毫米。

 安装完成的中心探测器不锈钢网壳结构

江门中微子探测器于2021年底正式开始安装，2022年6月完成中心探测器不锈钢主结构的安装，计划在今年完成探测器核心部件安装，2024年完成灌装并试运行取数。这个“藏”在地下700米的大科学装置，有望率先精确测量出中微子的质量顺序，同时在地球中微子、太阳中微子等探测中取得一系列重大成果，让我们一起期待吧！

知识链接  “隐形人”——中微子

中微子是构成物质世界最基本的单元之一。它们不带电，质量是电子的百万分之一，与其他物质的相互作用十分微弱，因此中微子如隐形人一般，极难被探测到。从1930年科学家理论预言中微子的存在，到1956年第一次在实验中发现中微子，用了20多年的时间。即便如此，关于中微子仍有许多基本的科学问题未解决。

已探测到的中微子共有3种味道。这里的味道不是口味，而是美国物理学家默里·盖尔曼和德国物理学家哈罗德·弗里奇提出的概念。他们为了区分粒子物理学标准模型中的12种基本粒子，将质量小的粒子叫作“轻味”，质量大的粒子叫作“重味”。

3种味道的中微子会相互转化，这被称为中微子振荡。中微子振荡对应3个混合参数——θ12、θ23、θ13。国外科学家先后在1998年、2001年测到了θ23和θ12，中国科学家于2012年测到了θ13。

 正在建造中的有机玻璃球

（责任编辑 / 高琳 美术编辑 / 周游）