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中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜

2019-12-27 09:27    作者:中国科学院
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      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。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。

       “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。

        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。

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。

       “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。

     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。

  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。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。