江门中微子实验：地下700米的国之重器

中微子对于人类来说是神秘的，它是宇宙形成之初就存在的基本粒子，隐藏着许多未知的重要信息。而研究中微子是国际前沿的基础科学，对于帮人类认识宇宙和现存的世界物质都具有重要意义。

近期，我国重大科技基础设施——江门中微子实验建设进入收官阶段。这一承载着无数科学家梦想和期待的地方，取得了重要的进展，将于2025年8月正式投入使用。这个位于江门开平的大科学装置，深藏在地下700米，投入使用后将主要着手研究中微子，探索其中更多的未知。这一神秘的实验室，今天就让我们再次去探秘它的神奇之处。

part.1

中微子的神秘面纱

中微子研究需要粒子物理、天体物理、宇宙学、地球科学等学科交叉研究，时常被称为“幽灵粒子”，自 1956 年被发现以来就一直充满神秘色彩。中微子是宇宙形成之初就存在的基本粒子，但中微子这种几乎不与物质相互作用、质量微乎其微的粒子，却承载着解开宇宙奥秘的关键。

其实，中微子是自然界中最基本的粒子之一，属于轻子家族，最大的特点是与物质的相互作用极为微弱，因此具有极强的穿透力，可以轻松穿过人体、地面等。同时它的质量非常轻，以接近光速运动。然而，围绕中微子，有大量谜团尚未解开，包括它的质量大小和起源、质量顺序、是否造成宇宙中物质与反物质的不对称等。它们的性质和行为为我们提供了理解物质世界基本规律的窗口，中微子的发现和研究，对于认识宇宙和我们现存的世界物质都具有非常重要的意义，也是国际前沿的基础科学。

自1956年首次被证实存在以来，中微子领域研究已经获得4次诺贝尔奖。但“捕捉”中微子难度极大，如何拥有更大、更先进的探测器从而获取更精确的数据，是中微子研究的重点。

part.2

地下700米的国之重器

#“接棒”大亚湾中微子实验

2012年，“人类首次发现中微子的第三种振荡模式”这一引起热议的消息从中国大亚湾发出。而这次的“幽灵粒子捕手”，是中国科学院院士王贻芳和他所带领的团队。

大亚湾中微子实验是中国第一代大型中微子实验，2011年正式运行。大亚湾中微子实验首次精确测量了反应堆中微子的振荡概率，发现了新的中微子振荡模式，并大幅提高了振荡振幅的测量精度，为研究中微子质量顺序和振荡参数提供了关键数据。在作出一系列重大的贡献后，2020年12月12日，大亚湾中微子实验装置正式退役。但此时，江门中微子实验的建设已在进行中。

21世纪初，中微子成为粒子物理学的“热门选手”，相关实验研究也取得了许多重大发现，包括发现三种中微子。但也因为中微子的特殊性质，其捕捉难度高，对实验室的要求也较高。

江门中微子实验选址为什么是江门？这是经过精心考虑和科学分析的结果，最终选定在江门开平金鸡镇的一座深山里。江门中微子实验的首要科学目标是确定中微子的质量顺序。为了实现这一目标，实验需要靠近一个或多个强中微子源。

现实中，江门地区靠近广东阳江和台山核电站，这些反应堆提供了丰富的中微子源，且距离实验站大约50至55公里，这正是测量中微子振荡效应的理想距离。这样的距离能够最大化中微子振荡的效应，同时最小化其他潜在干扰，为实验提供了最佳的科学条件。“核反应堆是地球上产生中微子最集中的位置，反应堆热功率越大，单位时间内释放的中微子数目就越多，实验精度就越高。江门市距离阳江、台山两处核电站均为53千米，进行研究时研究人员可获得更多的实验事例。”中国科学院高能物理研究所的科学家衡月昆向记者介绍。

除此之外，江门地区的地质条件对于建设地下实验室来说是较为理想的。地下实验室的天然屏蔽作用可以有效减少宇宙射线的干扰，这对于精准中微子探测实验至关重要。不得不提的是，江门地区的自然环境稳定，气候适宜，有利于实验室的长期稳定运行和数据的精确采集。“我们的首要物理目标是通过测量反应堆中微子能谱来研究其质量次序。江门中微子实验选址是综合考虑的结果，包括了与反应堆的理想距离、建设装置的条件、当地的地质条件等考虑。”衡月昆告诉记者。

江门中微子实验以测量中微子质量顺序为首要科学目标，与此同时也进行其他多项重大前沿研究。其核心探测设备位于地下700米的实验大厅内44米深的水池中央。2万吨液体闪烁体、45000只光电倍增管、直径35.4米的有机玻璃球、直径41米的不锈钢网壳等是它的关键组成部件。

据了解，江门中微子实验在2013年进行立项，2015年开工建设地下实验硐室。到2021年底，地下硐室交付使用并开始探测器安装。而近期，江门中微子实验中心探测器最内层的有机玻璃球和其外层的不锈钢网壳已合拢，光电倍增管和电子学等也在有序合拢中，很快将完成全部安装任务，并启动超纯水、液体闪烁体的灌装，于2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。江门中微子实验项目在设计、建设等关键领域达到了世界先进水平，它将为全球科学家探索科学前沿问题、突破核心技术难题提供一个强大的研究平台，是重要战略科技力量。

#中心探测器内的有机玻璃球

衡月昆介绍，中心探测器位于地下实验大厅内44米深的水池中央，直径41.1米的不锈钢网壳是探测器的主支撑结构，承载直径35.4米的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体、2万个20英寸（1英寸=2.54厘米）光电倍增管、2.5万个3英寸光电倍增管，以及前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多探测器部件。

而有机玻璃球是探测器的关键部件之一，承担着作为液体闪烁体的容器的重任。江门中微子实验有机玻璃球内径35.4米，由263块烘弯球面板和上下烟囱粘接而成，有机玻璃净重约600吨，是世界最大的单体有机玻璃球，对于中微子的“捕捉”起着重要的作用。这个巨大的球体内部将填充约2万吨的液体闪烁体，当中微子与其发生相互作用时，会产生微弱的闪烁光。这些光信号被球体内的光电倍增管捕捉并转换成电信号，从而实现对中微子的探测。有机玻璃球的高透光性和低放射性本底特性，使其能够有效地收集光信号，同时减少背景噪声，提高探测的准确性。

有机玻璃板材生产采用独特配方和工艺，具有高透光率和低本底的特点，其天然放射性本底铀和钍的质量占比小于一万亿分之一。其中，有机玻璃板材的加工在恒温车间中进行以保证其加工精度。为防止氡及其衰变子体对有机玻璃本底的影响，有机玻璃板表面在建设过程中采用膜材料和带有水溶胶的纸进行保护。除此之外，有机玻璃球粘接采用大体量注料、聚合、退火的本体聚合技术，粘接缝总长度约2公里，根据特殊情况采用特殊方法对粘接缝进行保护。

值得注意的是，有机玻璃球作为探测中微子的靶物质液闪的容器，同时整个球体置于纯水中运行，运行中需要长期承受约3000吨的浮力， 该受力通过有机玻璃节点、连接杆和不锈钢节点传递到不锈钢网壳主结构上，在连接杆上装有传感器进行受力监测。特殊设计的不锈钢结构预埋入有机玻璃中作为有机玻璃节点，经过反复设计优化和上百次试验最终获得超高承载能力，并且部分不锈钢节点采用碟簧设计方案、有效改善了有机玻璃节点的受力分布。“有机玻璃球的安装耗时两年多，安装过程中发现难免不断发现问题，经过不断调整后，才最终完成建设。”衡月昆向记者介绍着有机玻璃球的建造过程。

#不能忽视的光电倍增管

要捕捉中微子信号，除了有机玻璃球，光电倍增管这一装置也至关重要。什么是光电倍增管？光电倍增管其实是大玻璃球内部布满了一颗颗的“小灯泡”，是用于探测中微子的单个光子的真空器件。

光电倍增管可以把光信号转换为电信号，它可以把入射的光子通过光电效应转化成电子，少数的电子在倍增电场的作用下发生二次电子发射，可以倍增放大获得更多的电子，放大后的这些电子通过阳极收集后输出。光电倍增管在中微子的探测中也起着重要的作用，特别是大尺寸的光电倍增管可以实现单位面积更经济的光子探测，可以帮助科学家找到微弱的中微子信号。

但看起来毫不起眼和灯泡相似的光电倍增管，却是价格昂贵，在江门中微子实验之前只有一家国外公司有能力生产全世界最大的20英寸的光电倍增管。而江门中微子实验的建造，需要使用 20000 个 20 英寸的光电倍增管，这无疑是一笔巨大的开销。

但为了解决这一难题，中国科学院高能物理研究所的科学家们早早开始准备。由中国科学院高能物理研究所牵头，中国兵器工业集团北方夜视、中国科学院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成合作组集体攻关，攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳，以及真空光电子器件封装技术等多个技术难点，最终研制出量子效率、收集效率和单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际先进水平的样管。

这一成果突破了 20 英寸光电倍增管的制造技术，新型光电倍增管实现国产化，拥有完全的自主知识产权，大幅提升了国内企业在超大型电真空器件的创新能力和国际竞争力。

如今，江门中微子实验建设进入收官阶段：最内层的有机玻璃球和外层的不锈钢网架已合拢，光电倍增管、电子学等也在有序合拢中。未来的重要节点包括：预计12月完成全部安装任务、启动超纯水、液闪的灌装，2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。

而江门中微子实验有着丰富的科学目标，包括测量中微子的质量顺序，精确测量三个中微子振荡参数，未来有望在超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子、质子衰变等方面取得重大成果。

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文字｜陀 艳

图片 | 中国科学院高能物理研究所

审核 | 冯海波 刘肖勇