中國正在造12層樓高的水晶球,要逼幽靈粒子現身

2019年03月20日     444     檢舉

兩座核電站之間,700多米深的花崗岩下,正開掘一個巨大的空洞,容納一個12層樓高的「水晶球」。來自球中的一次次閃爍,將吐露中微子的身世秘密。

兩座核電站之間,700多米深的花崗岩下,正開掘一個巨大的空洞,容納一個12層樓高的水晶球。這個水晶球,將浸泡在一個灌有3萬噸純凈水的池裡,被鋼架栓牢。圓柱體的水池,直徑43.5米,深44米。水池上方是各種測量設施。中科院高能物理所供圖

位於廣東的正在建設的江門中微子實驗裝置,是中國前所未有的最複雜的高能物理實驗裝置。與當前最好的國際同類裝置相比,它的規模大20倍,精度提高近一倍。

世界最大的有機玻璃球

中微子被稱為幽靈粒子,為偵測它,人類不得不大費周章。如今,江門地下中微子實驗觀測站(JUNO)被物理學家寄予厚望:精確地測量中微子的一些基本特性。

宇宙里到處都是中微子。每秒鐘就有3億億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。中微子很難跟其他物質反應,穿行宇宙如入無物之陣。現代的中微子實驗都會用巨量的靶物質作為陷阱,提高捕獲中微子的幾率。

JUNO的核心,是一個直徑35.4米,厚12厘米的空心有機玻璃球。造這麼大,是因為裡面要灌上2萬噸的液體(叫做液閃)作為靶物質。

這是人類造過的最大的有機玻璃球。中科院高能物理所所長王貽芳曾告訴科技日報記者,目前世界上用於粒子物理的有機玻璃球,比它小20倍;水族館的有機玻璃水箱也比它小得多。

這個水晶球的意義,是用透明的介質,分開裡面的液閃和外面的水。中科院高能物理所研究員曹俊說,這個有機玻璃球必須非常透明,同時結實。

「12層高的空球,就像房子一樣可能垮塌。其他材料造不出來,用有機玻璃也很難。因為有機玻璃很容易裂。」曹俊說,「沒有造這種球的國家標準。我們自己建造了一個力學實驗室,自己做出一套標準。」

這個水晶球的準備工作已經就緒。當實驗大廳開掘完畢後,它將在現場搭建, 因為幾十米的球無法通過隧道。

最大的地下人工洞穴

JUNO的前輩是大亞灣中微子實驗裝置。它們都利用了核裂變反應釋放的海量中微子。不同的是,大亞灣偵測的是一個核電站的中微子;而JUNO則同時利用兩個核電站,10個反應堆的中微子。

位於廣東的陽江核電站將建6個反應堆,台山核電站將建4個反應堆。JUNO距離兩者都是53公里。

曹俊告訴記者,如探測器到多個反應堆的距離不相等,中微子能譜上的小結構就會互相抵消(就像正弦信號的波峰波谷會抵消)。根據計算,應在距離兩個核電站均為53公里的一個寬200米長2公里的矩形區域設置探測器。

53公里很遠,從反應堆來的中微子流會變弱。所以,JUNO與大亞灣探測器相比,靶物質增重一千倍。JUNO的大玻璃球,將浸泡在一個灌有3萬噸純凈水的池裡,被鋼架栓牢(以克服3000噸的浮力)。圓柱體的水池,直徑43.5米,深44米。水池上方是各種測量設施。

容納這一切需要一個直徑50米、高70米的巨型大廳。JUNO被設計在700多米的花崗岩山體下,以屏蔽宇宙射線干擾。

為此,JUNO正在山裡鑿出國內最大的地下洞穴。這也帶來了很多麻煩,打隧道和開挖大廳,都碰上了涌水,這使土建工程出現延期問題。項目組一邊灌漿堵水,一邊抽水。他們不敢全部堵住出水點,避免洞穴外圍承壓太大帶來垮塌風險。

精心調配的液體

中微子是這樣被偵測到的:一個中微子撞上了一個質子,就化為一個中子和一個正電子。正電子隨即湮滅放出一道光。中子則加入某個原子核,不穩定的原子核很快分裂並放出γ光子。因此,一先一後兩道光,就是中微子碰撞的跡象。

科學家製備液閃,要它具備三個性質:質子特別多(創造機會讓中微子撞);特別透明(微光能射出去);儘量不帶放射性(避免發出沒用的信號)。

大亞灣實驗中,中國科學家調配出了當時世界上最好的液閃。而在JUNO,他們改進了配方,液閃質量達到了新高。

這種液閃主體是烷基苯,加上一些特殊的配料。它比純凈的游泳池還要透明得多,光線穿過幾十米,衰減不大。

曹俊說,為降低液體天然的放射性雜質(比如氣態的氬、氪、氡,或固態的鈾),要通過三氧化二鋁過濾、減壓蒸餾、水萃取、蒸汽剝離一系列工序,相當於把幾萬噸的液體「洗一遍、蒸一遍」。

實際上,JUNO的有機玻璃球材料,以及其他各種器材的材料,也要經過處理以消除放射性。

看到微光

JUNO在測量中微子的同時,也會接收到大量的無用信號。水池和水池頂部的一些探測器,就是用來專門探測宇宙射線,以將相關信號排除出去。

曹俊介紹說, 2萬噸液閃每天只能捕獲到60個反應堆中微子、4個大氣中微子、1個地球中微子、以及90個太陽中微子。與之相比,儘管山體遮擋讓宇宙射線強度降低20萬倍,宇宙射線干擾信號每天仍有10萬次。

JUNO裝了四萬多隻世界上最靈敏的眼睛——18000個20英寸的和26000個3英寸的光電倍增管。光電倍增管可以將微弱的光轉化為電信號。由於JUNO要求極高的能量解析度,之前的商業產品達不到標準。為此國內幾家企業和研究所聯合攻關,已經研製出探測效率世界最高而且便宜的產品。

光電倍增管外形像大燈泡,內部是真空的,多年泡在水池裡是有風險的。科學家考慮到:如果某個「燈泡」裂一點縫,水瞬間吸入真空,在空間中心反彈,會形成激波。這種波破壞力極大,會引發連鎖反應,毀掉其他的光電倍增管。

為此,他們給光電倍增管特製了一種保護罩,即使受損,水也不會急速湧入形成激波。

「解決這些問題,喜歡物理的科學家可能覺得不那麼好玩,比較繁瑣。但要做出比較重要的科學成就,必須要承擔這些麻煩。」曹俊說。

在粒子物理標準模型中,中微子是沒有質量的,而中微子振蕩表明它具有質量,這是一個超出標準模型的實驗現象(暗物質是另一個標準模型無法解釋的謎題)。所以中微子研究是現有理論的一個突破口。

JUNO可能在2021年試運行。它將以相當高的確信度,回答至關重要的「中微子質量順序」的問題,並精確測量多個中微子參數,為物理學大廈添上重要的一塊磚。