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快訊:中國建造超大玻璃球求解“幽靈粒子”之謎

    來源: 新華社  2019-12-27 10:26:54

  JUNO探測器示意圖。(中科院高能所供圖)

在一個12層樓高的玻璃球里注入透明液體,中國科學家打算造一個全世界最大的“水晶球”來捕捉宇宙中的“幽靈粒子”——中微子,從而找到通向物理新世界的大門。

他們將把一個直徑達35.4米的有機玻璃球安裝在廣東省江門市西南部的打石山中。施工人員已經在700多米深的花崗巖下方挖出一個空洞,作為未來的實驗大廳。

“我們一直在不停地抽排地下水。現在,水位已明顯降低,相信很快就能排干凈。”江門中微子實驗發言人、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳近期介紹項目進展時說。

江門中微子實驗(JUNO)于2015年1月開工建設。若順利,明年年中,施工人員將開始在地下實驗廳中組裝巨大的球形探測器。

這是中國最復雜的高能物理實驗裝置,預計2022年建成。與當前最好的國際同類設備相比,它的規模要大20倍,精度提高近一倍。

JUNO規劃圖。(中科院高能所供圖)

“幽靈粒子”

中微子是組成自然界的一種基本粒子,在宇宙中廣泛存在。大多數粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產生,例如太陽發光、超新星爆發、宇宙射線、核反應堆發電等。

中微子也是目前最神秘的粒子之一。它們不帶電,質量極小,幾乎不與其他物質發生相互作用。它們如幽靈一般穿透地球,來無影去無蹤,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。

正因為中微子不會像光子、電子一樣,與其他粒子相互作用,它們所攜帶的關于恒星、黑洞乃至整個宇宙的“核心秘密”,吸引著好奇的人類。

它們可以直接穿過劇烈“燃燒”的恒星內部而不被吞噬,成為人類了解恒星中心核反應過程的媒介;它們在宇宙誕生之初就已存在,且不像光子在宇宙大爆炸38萬年之后才結束和其他粒子相互作用開始傳播,所以也是研究宇宙最早期歷史的載體。

上世紀50年代,科學家首次觀測到中微子的存在,后來又發現中微子其實有三種,分別是電子中微子、μ中微子、τ中微子,它們在飛行時可以“一人分飾三角”,在三種類別之間相互轉化,這也被稱作中微子振蕩。

在這個領域,中國是后來者,但做出了重要貢獻。2012年,大亞灣中微子實驗室宣布發現新的中微子振蕩模式,成為中微子研究的一個重要里程碑。

但是,中微子仍有太多未解之謎。江門中微子實驗副發言人、中科院高能物理所研究員曹俊指出,中微子很難探測,很多實驗研究進展有限,就是因為捕捉到的中微子信號太少,數據太少。

JUNO地理位置。(中科院高能所供圖)

超級玻璃球

探測中微子,一種辦法是通過液體閃爍體探測器來捕捉它們產生的信號。

科研人員在有機玻璃球里注入透明的特制液體——液體閃爍體(簡稱“液閃”),當中微子穿過球體時,會有一定的幾率和液體里密布的氫核發生反應。每一次反應產生一個正電子和一個中子,正電子隨即湮滅釋放出一個快信號,中子則在反復碰撞后被其他氫核吸收并釋放出一個慢信號。一前一后兩次閃爍,就透露了中微子的行蹤。

為了提高探測靈敏度,JUNO的選址經過精心測算。實驗室建在地下,以屏蔽宇宙射線的干擾;距離陽江核電站和臺山核電站都是53公里,可以同時利用兩者釋放的海量中微子,并畫出更精細的中微子能譜圖。

但是,較長的距離也會造成中微子流的“稀釋”,就好比放煙花,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閃探測器——日本的KamLAND探測器還要大20倍,后者注入了1000噸液閃,而JUNO要容納兩萬噸液閃,才能盡可能多地“俘獲”中微子。

“探測器越大,捕捉到的信號就越多,數據量就越大,就越能看到別人所看不到的。”曹俊說。

根據設計方案,JUNO會由265塊有機玻璃板現場組裝而成,并被鋼架固定在一個裝有約4萬噸純凈水的大池中。

這么大的玻璃球,給工程建設帶來了挑戰。江門中微子實驗項目組先后請來幾個知名力學團隊幫忙設計,并搭建了專門實驗室,測試有機玻璃的力學性能和老化情況,還造了一個直徑3米的小球來驗證計算和測試是否準確。

“經過實驗證明無誤后,我們才把這套算法用來設計大的探測器。我們要確保它能運行30年。”曹俊說。

為確保12層樓高大球的設計安全無誤,科研人員先造出直徑3米的小球,進行模擬實驗。圖為小球模型吊裝。(中科院高能所供圖)

“捕獲”微光

僅僅把探測器造很大,還不夠。中微子引發的閃爍非常微弱,肉眼無法看到。科研人員還要調配出極其透明的液閃,并在玻璃球外安裝數萬個光電倍增管,才能讓微光“顯形”。

液閃主體為烷基苯,是洗衣粉的原材料。“我們在南京找到了符合條件的廠家,生產出特制的液體,直接導入罐裝車,運往南方的實驗室。”曹俊說。

在注入玻璃球前,為了清除運輸過程帶來的污染,科研人員還要把液體又“洗”又“蒸”:用三氧化二鋁過濾,吸附雜質;蒸餾,去除光學干擾和天然放射性;往液體里加兩種發光物質,再用超純水洗一遍;最后,進行蒸汽剝離和水萃取。

“這可以說是世界上最透明的液體,多么微弱的光都可以透過。”曹俊說。

穿過液閃的光子,隨即會被密布在球外的2萬個20英寸光電倍增管和2萬5千個3英寸光電倍增管“捕獲”。這些光電倍增管就像一只只凸起的眼睛,可以看到任何信號微瀾。

科研人員正在測試光電倍增管性能。(中科院高能所供圖)

20英寸光電倍增管制造難度很大,其中15000個由國內研發生產。“最初,JUNO打算全部從國外采購,但當時只有日本一家公司生產,光這一項就要花費整個項目40%的經費,而且信號收集效率也達不到要求。于是,我們決定自主研發。”JUNO光電器件性能標定實驗室的朱瑤回憶說。

從2009年成立至今,朱瑤所在的實驗室奮斗了10年,鉆研出一套和國外產品完全不同的技術方案。

“光子進入光電倍增管,會被轉化成電子,經過微通道板多次倍增后,一個電子可以變成一千萬個電子,信號就被放大了。我們研發的微通道板,是將一根根直徑約6微米、細如發絲的玻璃管擠壓在一起,然后切片,不僅倍增效果好,收集效率高,還使生產成本降低了一半。”朱瑤說。

未來,這些被放大的光電信號或許可以幫助科學家解開一個重要的謎題——中微子的質量順序,即三種中微子哪個最重。

“中微子的質量順序是自然界的基本參數之一,影響宇宙的演化進程。知道了質量順序,可以為其他研究鋪路。”曹俊說,“理論家一直試圖建立統轄宇宙萬物的大統一理論,質量順序是檢驗這些理論是否正確的鑰匙。”

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