为什么要在那么深的地方寻找“幽灵粒子”

我是中科院高能物理研究所特聘青年研究员赵洁，负责江门中微子实验的本底控制工作。这个问题提问的角度恰好是我负责的内容，下面我来回答一下这个问题并介绍一下中微子探测实验。

中微子，这个被称为“幽灵粒子”的基本粒子，因其极弱的相互作用力和极强的穿透性，在宇宙中几乎“来无影去无踪”。整个地球对它来说几乎是透明的，它能够轻松穿越行星、恒星甚至整个星系而不被阻挡。太阳中心发生的核聚变也释放大量的中微子，计算表明，每秒钟大约有上百万亿颗太阳中微子穿过我们身体扬长而去，然而我们并没有被打成“筛子”

正是这样一个难以捉摸的粒子，却是构成物质世界的12种基本粒子之一，并且共有三种类型（即“味”）：电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们不仅在微观粒子物理中占据重要地位，更与宇宙的起源、星体的演化甚至物质与反物质不对称之谜息息相关。

中微子极难与物质发生相互作用，要想成功探测到它们，必须满足三个基本条件：源足够强、探测器足够大、干扰足够低。这三点构成了中微子实验设计的核心逻辑。

源足够强：择核电站而居

中微子的来源非常广泛，包括太阳、超新星爆发、地球内部放射性衰变以及核反应堆等。其中，核反应堆是人类目前所能控制的最强的人工中微子源。例如，一个典型的核电站反应堆每秒可产生约35万亿亿个中微子。

理论上，探测器离反应堆越近，单位时间内能捕获到的中微子就越多。我国曾成功开展的大亚湾中微子实验，就是将探测器布置在距反应堆仅几百米至两公里的位置，成功发现了第三种中微子振荡模式，轰动国际物理学界。

而江门中微子实验的首要目标，则是要确定三种中微子的质量顺序，即解决“谁轻谁重”的问题。理论预测，要实现这一目标，探测器需放置在距离反应堆约53公里处。虽然在这个距离上中微子通量大幅下降，但振荡效应对质量差异的敏感度最高，这就要求探测器必须做得更大，因此，江门实验探测器体积做到了大亚湾的1000倍。

巧合的是，江门实验室所在的打石山恰好位于阳江和台山两座核电站连线中垂线上，与两者的距离均为53公里，构成了一个理想的等腰三角形。阳江和台山核电站的总功率位居世界前列，反应堆功率越高，产生的中微子流量就越大，这为实验提供了充足的数据样本，有助于在更短时间内获得高精度的测量结果。计算表明，江门中微子探测器预计每天可捕获约60个中微子事件。

探测器足够大：两万吨液闪与全球最大有机玻璃球

江门中微子实验的核心探测器是一个巨大的液体闪烁体探测器，其中心是2万吨液体闪烁体（简称“液闪”）。液闪是一种有机化合物，主要成分是烷基苯，其分子中的氢核成为中微子发生反应的主要目标。

盛放这两万吨液闪的容器是一个直径达35.4米的有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）球。该球体被安置在一个直径41.1米的不锈钢网架内，通过数百根撑杆精密固定。在不锈钢网架上，安装了约4.5万只高灵敏度光电倍增管（PMT），用于捕捉中微子反应发出的微弱光子。

图：工人组装液体闪烁体探测器时的情景，这样能直观看出它的巨大。

当极少数的中微子与液闪中的质子发生反β衰变反应时，会产生正电子和中子。正电子迅速湮灭发出快信号，中子则被捕获后发出延迟信号。这两次信号构成一个符合事例，从而显著排除偶然本底。整个反应过程会发出微弱的光子，这些光子被周围的光学传感器捕获，从而“看到”中微子的踪迹。

干扰足够低：深地实验与极致洁净

中微子信号极其微弱，任何外界干扰都可能淹没真正的信号。因此，必须将本底噪声降到最低。用个比喻来讲就是“消除噪声，静候‘幽灵’”

图：直径达35.4米的巨大液体闪烁体探测器。

1、深地实验室：屏蔽宇宙射线

宇宙射线是来自外太空的高能粒子流，进入大气层后会产生缪子（μ子）等次级粒子。这些粒子如进入探测器，会产生大量类似中微子的信号，造成严重干扰。将实验室建在地下深处，利用岩层屏蔽宇宙射线，是国际通行做法。江门实验大厅位于地下700米深处，岩石覆盖将宇宙射线干扰降低了约10万倍，为捕捉中微子创造了“安静”的环境。

2、放射性本底控制：极致洁净要求

探测器本身及周围环境中自然存在的放射性元素（如铀、钍、钾等）会持续衰变，发出α、β、γ射线，这些都会形成伪信号。因此，江门实验对所有材料的放射性纯度提出了极为苛刻的要求。液闪的制备和储存必须在超高纯度环境下进行。项目团队设计了四套大型纯化系统，每套高达十米，通过多层过滤和纯化工艺，确保液闪达到超纯标准。

有机玻璃球的清洁同样关键。在建设的两年半中，球体表面始终覆有保护膜，直至安装完成。在注入液闪之前，团队还使用3D喷洗系统对球内进行全面清洗，确保内表面达到光学与洁净要求。

甚至不锈钢支撑结构也避免焊接——因为焊接会引入污染。整个网架使用12万套高强度螺栓螺母组装而成，像“搭积木”一样实现毫米级精度安装，既保证了结构强度，又控制了材料本底。

实验大厅空气中的尘埃放射性水平比液闪要求高出约一万亿倍。通过严格的洁净控制，团队在12万立方米、岩壁裸露的地下空间实现了万级洁净环境，保障了探测器的高质量安装。

此外，地下空间通风若不足，放射性气体（如氡气）易累积，不仅污染探测器，还危害人员健康。团队通过优化通风设计，将地下空气中氡浓度降低至原来的十分之一，达到安全标准。

江门中微子实验从2008年提出构想，到2025年完成液闪灌注并开始正式取数，历时整整17年。它不仅是目前全球最大的液体闪烁体探测器，也是中国基础科学领域最具竞争力的重大实验设施之一。

未来十年，JUNO将收集来自反应堆、太阳、地球乃至遥远超新星爆发的中微子，有望在中微子质量顺序、精确振荡参数、超新星物理、地球物理等领域带来突破性发现。

来源：腾讯太空

编辑：小赫Amy

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