什么样的实验室，要建在地下700米？

要解答这些问题，首先需要了解中微子是什么。世界由基本粒子构成，我们熟悉的质子、中子、电子中，质子和中子可再分为夸克。

在粒子物理标准模型中，中微子是构成物质的基本粒子之一，由放射性衰变与核反应产生。太阳内部时刻发生的核反应，会释放海量中微子。

它们遍布宇宙，每秒有万亿级数量穿过人体，却几乎不会被察觉。这是因为中微子呈电中性，质量仅为电子的百万分之一不到，不参与强相互作用与电磁相互作用，穿过普通物质时几乎不受阻碍，因此被称为 “幽灵粒子”，捕捉难度极大。

物理学家对中微子的探索始于 1930 年。泡利为解释 β 衰变中的能量不守恒现象，预言了一种不带电荷、质量极小的未知粒子，也就是后来的反电子中微子。

1956 年，科温和莱因斯在《科学》期刊发表观测结果，首次证实中微子存在，莱因斯因此获得 1995 年诺贝尔物理学奖，可惜伙伴科温已离世，未能共享这份荣誉。此后，中微子研究进入黄金时代，科学家逐渐意识到，中微子有望成为人类观测宇宙的全新窗口。

目前全球主流中微子探测器多藏于地底或深海。地球表面存在宇宙射线与天然放射性本底，若不屏蔽，这些信号的强度会远超稀有的中微子信号，因此需要深入地下，借助山体与水阻隔干扰。

江门中微子实验室选址广东江门开平市打石山一带，距离阳江、台山核电站均为 53 公里，两座核电站总设计功率达 36 吉瓦，可提供充足的反应堆中微子作为观测对象。

实验室建于 700 米深的地下洞室，主体中心探测器置于筒型水池中央，未来水池将灌注 3.5 万吨高纯水，屏蔽来自地面粉尘的放射性本底。

中心探测器由有机玻璃球体、不锈钢网壳与光电倍增管等关键部件组成。有机玻璃球体内径 35.4 米，壁厚仅 120 毫米，内部将填充 2 万吨液体闪烁体作为探测靶物质。液体闪烁体 99.7% 成分为烷基苯，也是日用洗涤剂的主要原材料，其余成分为发光物质与波长位移制剂。

球体外侧的不锈钢网壳负责支撑整体结构，网壳直径 40.1 米，分为 23 层轴向、30 段环向结构，每段设有两条支腿，在赤道层下方固定。玻璃球体上有 590 个支撑节点，通过撑杆与网壳相连。

由于装置建成后将完全浸没于水中，施工前后撑杆受力差异极大，结构稳定性面临挑战。为此，撑杆与球体一侧采用角接形式，与网壳连接时，下半球 1 至 9 层撑杆使用碟形弹簧弹性连接，其余撑杆与网壳钢接，以此增强球体抗旋转刚度，提升整体稳定性。网壳内侧紧密排布 4.5 万只两种尺寸的光电倍增管，用于捕捉中微子产生的光信号。

当中微子进入中心探测器时，大部分会直接穿过，仅有极少数 —— 预计每天约 80 个 —— 会被捕捉。这些中微子将在液体闪烁体中发生反 β 衰变，产生正电子与中子。

正电子电离损失能量后湮灭，释放出两个能量为 511 千电子伏的光子，构成快信号；中子与质子结合后释放 2.2 兆电子伏的光子，构成慢信号。光电倍增管接收这两种信号，经后端电子学处理分析，通过快慢信号的时间差甄别中微子事件。

此外，网壳外侧还将安装 2400 只光电倍增管作为水切伦科夫探测器，与顶部探测器组成反符合系统，联合标记本底产生的缪子事例，减少干扰。通过采集的数据，科学家可测量中微子数目与能谱，精准确定中微子质量序列与相关震荡参数。

我国并非首次开展中微子探测实验。2011 年启动的大亚湾中微子实验，曾发现中微子第三种震荡模式，并成功测量其振荡几率。

未来，江门中微子实验将以更大规模与更高精度，解答更多高能物理乃至宇宙谜题。两千年前，古人曾发出 “上下未形，何由考之” 的天问，人类对宇宙与微观世界的探索从未停止。

从理论推演到技术实现，求知欲推动着我们不断拓宽探索边界。如今，我们以科学与智慧凝结的装置，在宏观宇宙与微观粒子尺度上延伸对物质本质的理解。即便探索没有终点，人类仍将步履不停。