探秘大科學裝置,我們來到了地下700米的江門中微子實驗室

2022年08月20日17:06

斜井纜車在幽閉的隧道中行進,15分鍾後,新京報記者從地面到達了地下700多米處的井底。沒有想像中那麼涼爽,這裏的岩石溫度達到31攝氏度,空氣悶熱高濕。

換上潔淨衣、在風淋室吹淋後,通往實驗大廳的大門緩緩開啟,隨著一座巨型鋼架矗立在眼前,大科學裝置——江門中微子實驗裝置露出了宏大精緻的外觀。未來,它將為基本粒子世界中的“隱士”——中微子測量質量順序,窺探宇宙的奧妙。

“幽靈粒子”

我們的身體,每秒鍾有億萬個中微子穿過,但人們從未感受過它們的“親密接觸”。

中微子是構成物質世界的12種基本粒子之三(電子中微子、繆中微子和陶中微子)。中微子的質量非常輕,小於電子的百萬分之一,以接近光速運動。

宇宙中充斥著大量的中微子,大部分為宇宙大爆炸的殘留,每立方釐米大約有300個。中微子無處不在,恒星內部的核反應、超新星的爆發、核反應堆的運行,以至於岩石中的放射性物質衰變,都產生大量中微子。

但是,由於中微子與普通物質的相互作用很弱,它們可以輕鬆穿過人體、建築甚至整個地球而不被任何物質吸收,不容易被檢測到。因此,無所不在的中微子是基本粒子中人類瞭解最少的一種,被稱為“幽靈粒子”。直到1956年,美國科學家才首次從實驗中發現中微子。

中微子研究是國際粒子物理研究的熱點,是唯一有超出粒子物理標準模型的新現象並取得重大突破的方向,也是粒子物理、天體物理和宇宙學研究的交叉前沿。中微子物理研究領域的幾次重大突破都獲得了諾貝爾物理學獎。

1998年日本超級神岡實驗和2001年加拿大SNO實驗證明了中微子振盪現象,即一種中微子能夠轉換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質量,對粒子物理、天體物理與宇宙學具有重大影響,因而被授予2015年諾貝爾物理學獎。

中微子研究簡史。中科院高能物理所供圖
中微子研究簡史。中科院高能物理所供圖

大亞灣實驗

日本與加拿大的科學家發現已知三種中微子之間的兩種相互轉化現象(振盪),標誌著中微子具有不為零的質量,預示著必定存在超出當前粒子物理標準模型的新物理現象。

原則上,三種中微子之間相互振盪,兩兩組合,應該有三種模式。然而,第三種中微子振盪模式一直未被發現,甚至有理論預言其根本不存在。

2003年,中國科學院高能物理研究所(中科院高能物理所)的科研人員提出設想,利用我國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子,尋找中微子的第三種振盪模式,並精確測量該振盪的幾率。

經過8年的醞釀和建設, 2011年12月,位於深圳市大亞灣核電站北部山地地下的大亞灣中微子實驗探測器開始運行取數。大亞灣核反應堆每秒鍾產生35萬億億個中微子,為實驗提供了豐富的中微子源。同時這裏緊鄰高山,可以為地下實驗室屏蔽宇宙射線干擾。

開挖地下實驗室並不容易,需要解決大量技術難題。大亞灣實驗中方負責人是中科院高能物理所所長王貽芳,他舉例說,在距核反應堆很近的地方進行爆破,是實驗當中遇到的巨大困難。“最終我們克服重重困難,安全完成了鄰近核反應堆的約3000次爆破作業,建成了地下實驗室。”

2012年3月,大亞灣實驗迎來“高光時刻”,大亞灣國際合作組宣佈首次探測到中微子的第三種振盪模式,並以前所未有的精度,測得其振盪大小為0.092,誤差為0.017,無振盪的可能性僅為千萬分之一。這一實驗成果入選美國《科學》雜誌2012年度十大科學突破,並獲得2016年度國家自然科學一等獎。

完成了科學使命後,我國第一代中微子實驗裝置——運行了9年的大亞灣核反應堆中微子實驗於2020年12月退役。它使我國的中微子研究“從無到有”並跨入國際先進行列。

大亞灣實驗的成果,對精確部署未來中微子實驗具有重要的指導意義,國際上立刻啟動了多個中微子實驗。“中微子質量順序”成了中微子實驗研究的下一個重大問題,國際競爭激烈。在我國,“接棒”大亞灣實驗的江門中微子實驗(JUNO)登場,和正在建設的日本頂級神岡實驗、美國的深層地下中微子實驗(DUNE)“競賽”。

撤場前的大亞灣實驗大廳。中科院高能物理所供圖
撤場前的大亞灣實驗大廳。中科院高能物理所供圖

地下700米

江門中微子實驗位於廣東省江門開平市金雞鎮,在地圖上連線,這裏和陽江核電站、台山核電站可以畫出一個“等腰三角形”。核電站發電會產生大量中微子,物理靈敏度分析表明,實驗室需距離反應堆50-55公里,實驗室的選址,正好和兩個核電站皆相距53公里。

“如果只有一個核電站,實驗的造價要提高一倍。”王貽芳說。因為在同樣距離下,探測到的中微子數正比於反應堆放出的中微子數量以及探測器的靶質量。若反應堆減少,則探測器就要增大,從而提高實驗造價。

在地圖上,江門中微子實驗和陽江核電站、台山核電站構成“等腰三角形”。中科院高能物理所供圖
在地圖上,江門中微子實驗和陽江核電站、台山核電站構成“等腰三角形”。中科院高能物理所供圖

同時,日常環境中存在大量的宇宙射線,它們在探測器中產生的信號將比中微子信號多上億倍。因此,中微子探測器還需要放在很深的地下,金雞鎮環繞的群山和花崗岩可以起到“屏蔽”宇宙射線的作用。

8月,新京報記者走進江門中微子實驗室,在井口乘坐纜車,順著與水平方向呈23度角的軌道向地下700米駛進,開啟了“地殼探險”。據工作人員介紹,纜車本身沒有動力,下行時靠重力向下推進,上行時靠鋼絲繩牽引。一旦出現鋼絲繩斷裂等情況導致纜車下行超速,纜車車輪的抱死裝置將啟動,使纜車停下,確保人員安全。

乘坐纜車順著斜井前往地下700米的實驗大廳。  新京報記者 張璐 攝
乘坐纜車順著斜井前往地下700米的實驗大廳。 新京報記者 張璐 攝

悠長深邃的斜井中管道密佈,作業的風機在呼呼作響。行至斜井深處,空氣變得濕漉漉的,地面上出現了少量順勢而下的水流。“斜井剛開挖到100多米時,就出現地下湧水情況,隨著隧道越挖越深,斜井最大湧水量達530立方米/小時。”這與勘查單位此前勘探時發現的最大180立方米/小時的湧水量有較大偏差。

為了避免地下水不斷湧出淹沒作業面,建設人員採用了“超前探水灌漿”的施工工藝。他們沿著作業面在岩石上打九、十個孔,灌入水泥漿並摻入水玻璃使其加快凝固。水泥漿沿著岩體裂隙,將地下水封堵在30米開外的地方。建設人員開挖掘進25米後,預留5米作為保護層,繼續循環打孔注漿。地下水當然也不能完全堵住,以防水壓太大把洞壓垮。在隧道兩側,每隔幾百米留有臨時集水井,部分地下水順著隧道凹槽流入井中,被水泵抽排到地面。1265.16米長的斜井隧道就這樣被一點點挖了出來。

地下施工支洞頂拱滲水。中科院高能物理所供圖
地下施工支洞頂拱滲水。中科院高能物理所供圖

“地下水的壓力非常大,甚至可以將鑽機中實心鑽杆頂歪,如果固定不牢,鑽杆在水壓作用下會像箭一樣回射出來。”據現場從事基建工作的閻良平介紹,在地質情況如此複雜的情況下使用“超前探水灌漿”的施工工藝,水泥漿配比、注漿量、注漿壓力等參數都需要重新摸索改進。經過反複實踐並改進配比,他們終於找到了最優方法。

為了通向地下實驗大廳,工程還建設了一口豎井,深達564.2米,直徑只有5.5米,由於不像斜井一樣可以攀爬,工作人員施工時要坐著“鐵桶”吊下去、提上來。

“變形金剛塔”與“鋼鐵鎧甲”

纜車到達了井底,這裏的岩石溫度達到31攝氏度,空氣悶熱,地面濕滑。步行向下走了幾百米,汗流浹背的記者終於來到地下實驗大廳的門口。

進入潔淨間之前,所有人需要穿上潔淨衣、罩住頭髮、戴上手套和鞋套、經過風淋室吹淋。風淋室的大門向上開啟,像置身於科幻電影中一樣,一個巨大的鋼球和一個通天鋼塔直觀地矗立在記者眼前。

液壓升降平台好似“變形金剛塔”,全程服役於有機玻璃球的安裝。中科院高能物理所供圖
液壓升降平台好似“變形金剛塔”,全程服役於有機玻璃球的安裝。中科院高能物理所供圖

“我們正處在一個巨大坑洞的坑底,實驗大廳高71米,跨度達49.5米,是目前國內跨度最大的地下洞室,內有44米深的水池。”閻良平說,地下大廳沒有一根立柱支撐,為了防止塌陷,穹頂和洞室四周佈滿錨索,錨索深深紮入岩體,像擰緊的螺栓一樣對岩石施加預應力,將岩石牢牢固定住。

未來,江門中微子實驗的中心探測器——球形液體閃爍體探測器將浸泡在地下實驗大廳內44米深的水池中央,它由直徑41米的不鏽鋼網殼、直徑35.4米的有機玻璃球,以及2萬噸液體閃爍體、2萬隻20英吋光電倍增管、2.5萬隻3英吋光電倍增管等關鍵部件組成。

頗具美感的巨大“鋼球”,就是中心探測器的主支撐結構——不鏽鋼網殼,它為其內部與之間隔2米的有機玻璃球穿上了“鋼鐵鎧甲”。液壓升降平台可謂“變形金剛塔”,它的直徑和高度逐層可變,全程服役於有機玻璃球的安裝。

從水池頂端俯瞰不鏽鋼網殼全貌。中科院高能物理所供圖
從水池頂端俯瞰不鏽鋼網殼全貌。中科院高能物理所供圖

未來,探測器建成後,容納探測器的水池將“封蓋”,探測器將“不見天日”地運行30年。為了抓住難得的機會看看探測器內部結構,記者手腳並用,在僅能容納一人的狹窄鋼梯通道上攀爬起來。實驗大廳的空調使這裏的溫度保持在21攝氏度,但爬上12層樓高的平台後,記者額頭已經微微冒汗。

支撐有機玻璃球和各種儀器設備的“鋼球”,使用了大約900噸低放射性的不鏽鋼材料。“相比碳鋼,不鏽鋼比較軟,很難得到需要的剛度和精度,價格也昂貴。但鋼球要泡在水中30年,所以還是得用不鏽鋼。”王貽芳說,為了保證實驗大廳的潔淨度,同時確保不變形,整個鋼結構沒有一處銲接,科研人員用12萬套高強螺栓將不鏽鋼構件拚接成型。

最大的玻璃球

實驗探測器的研製有三個技術挑戰,其一就是研製世界上最大的有機玻璃容器。

在大鋼球內,有機玻璃球的安裝剛剛開始。工程人員揭開覆蓋物,晶瑩剔透的玻璃板露出光彩。“這是目前已知的最乾淨、透明的有機玻璃,肉眼就能明顯看出它和普通有機玻璃的區別。”王貽芳流露出自豪的神情,他說,為了達到透明度的指標,生產廠家新建了生產線,對各種材料成分進行了改進,生產工具、模具也進行了特殊的處理。

有機玻璃球厚12釐米,但對於直徑35.4米的玻璃球來說,12釐米薄如蛋殼。科研人員準備了265塊球形有機玻璃板,最大的一塊9米長、3米寬,它們將被分層逐一粘接,拚成玻璃球。粘接材料不是普通的膠水,而是有機玻璃本體材料。

從水池頂端俯瞰,黑色的水池內壁十分醒目,工作人員可以在不鏽鋼網殼內的平台上安裝有機玻璃球。  新京報記者 張璐 攝
從水池頂端俯瞰,黑色的水池內壁十分醒目,工作人員可以在不鏽鋼網殼內的平台上安裝有機玻璃球。 新京報記者 張璐 攝

此前,國際上最大的有機玻璃球直徑12米,用於加拿大SNO中微子探測實驗,但現場建造的過程中出現過開裂,經過反複修補,折騰了2年才完成。此次江門中微子實驗的有機玻璃球直徑達35.4米,面積相當於國外的10倍,要求工期卻只有10個月。

江門中微子實驗項目總工程師馬驍妍告訴新京報記者,此前進行設計時,他們邀請了很多國外的評委進行方案評審。“人家覺得不可想像,說只要你們能把這球做出來,用多長時間都行。但我們的實驗要跟國際上其他實驗競爭,不能慢了。”

尺寸大、精度高,是有機玻璃球研製的最大難點。前期設計上,科研團隊集結了國內高校和科研單位力量,不斷優化方案。玻璃球設計得厚一些,結構可靠度自然高,但是設計團隊還需要考慮成本。

在生產製造環節,一般的廠家也不敢輕易接手。“這麼大一個球,哪個廠家都沒做過,我們考察了大量廠家,和3個候選廠家一起做了兩年的預研工作。一方面考察廠家的生產製造實力,一方面考察他們的科研素養。廠家的科研團隊要和我們一起琢磨這個事情,不斷摸索優化。”馬驍妍說,有機玻璃生產企業以往做的大多是海洋館項目,就算使用過程中出現一些問題,一般都可以提前觀察到並及時進行處理,但探測器未來將在封閉的水池中運行30年,沒有機會進行修復,不容有失。為此,科研人員用小的玻璃樣塊,不同種類的模型,反複試驗。

玻璃板在工廠生產時,就要經過板材澆築、烘彎、加工、聚合、退火、打磨拋光、清潔、貼膜等多道複雜工序,來到現場還要再吊裝、拚裝、測量、聚合、退火以及拚接縫處的打磨、拋光、清潔、貼膜等。目前玻璃板正從上往下逐層安裝,可以最大程度避免落物對有機玻璃造成損壞。光是玻璃球的安裝方案,科研團隊就討論了三年,把所有細節和問題想得清清楚楚。

接下來的安裝環節仍面臨極大挑戰,馬驍妍很沉穩,“雖然已經做了大量實驗,但現場環境畢竟不同,我們要慢慢來、開好頭,把各個環節理解透”。

“大儀器設備的生產,我們通常會培育兩家以上企業,避免只有一家企業時發生突然加價的情況。”王貽芳說,如何把錢用在刀刃上,是一個大裝置負責人時刻要考慮的問題。工程指標、可實施性、科學目標、經費、工期等各方面都要做到平衡。

最透明的液閃

未來在水池中,有機玻璃球內外會先同時注滿最純淨的水,灌裝過程使其內外壓力保持平衡。此後,科研人員會將球內的水用置換的方法換成2萬噸液體閃爍體(液閃),液閃將和光電倍增管共同探測中微子被“俘獲”時產生的閃爍光。

江門中微子實驗探測器示意圖。中科院高能物理所供圖
江門中微子實驗探測器示意圖。中科院高能物理所供圖

世界上最透明的液體閃爍體,是探測器研製的第二個難關。

“液閃的衰減長度大於20米。”江門中微子實驗項目液閃純化子系統負責人蔡嘯解釋說,光在經過一段距離後會逐漸衰減,當其強度變成原來的1/e(約為0.37)時,這段距離就叫做衰減長度。中微子被“俘獲”時產生的閃爍光本身就很弱,如果液閃不夠透明,衰減長度比較短,閃爍光將在傳輸過程中變得更弱,更難被光電倍增管探測到。

他進一步解釋說,從光學性能講,評價液閃透明度的關鍵指標是衰減長度。同時,從放射性角度講,液閃中的放射性雜質去除得越乾淨越好。“我們要求放射性鈾的含量是10的負17次方。”

如何將液閃變得更透明?蔡嘯帶記者來到了液閃純化大廳,對四套純化設備進行一一介紹。液體閃爍體最主要的材料是烷基苯,這種透明的油狀液體是製作洗滌劑的原材料。通過管道運抵大廳的特製烷基苯,出廠時衰減長度已然高達15米到20米。

先期到達場地的200噸烷基苯在大罐中用氮氣密封保存,將通過管道輸送至液閃純化大廳,用於設備調試。新京報記者 張璐 攝
先期到達場地的200噸烷基苯在大罐中用氮氣密封保存,將通過管道輸送至液閃純化大廳,用於設備調試。新京報記者 張璐 攝

接下來,科研人員要將烷基苯通過填滿氧化鋁粉末的吸附柱,進行光學純化。氧化鋁的吸附過濾作用強,可以將烷基苯中的光學雜質去除。接下來科研人員對烷基苯進行蒸餾純化,降低其放射性本底。此後的烷基苯成為“溶劑”,科研人員會將兩種粉末狀的發光物質倒入其中攪拌,混製配成高濃度的液閃。

液閃純化大廳中的蒸餾系統,用於蒸餾純化烷基苯。  新京報記者 張璐 攝
液閃純化大廳中的蒸餾系統,用於蒸餾純化烷基苯。 新京報記者 張璐 攝

至此,純化過程僅僅完成了地上的兩個步驟,接下來將轉入地下。液閃將通過管路輸送到地下的純化裝置,經過水萃取、氣體剝離等工序,進一步去除液閃中的鈾、釷、鉀、氡等放射性元素,最終液閃的衰減長度可以達到20米以上。2萬噸液閃中,灰塵總量不能超過0.008克。

江門中微子實驗的液閃純淨度,比大亞灣實驗提高了1000倍以上。蔡嘯說,以上種種複雜的純化工序,在大亞灣中微子實驗時都沒有使用到。此次科研人員參考了國外純化實驗,查閱了大量文獻,進行了5年多的實驗,設計並研製了設備,改進了工藝。

“我是學高能物理的,但在研發純化設備時,我覺得自己成了‘化工人’。”他說道。

最靈敏的“黃金瞳”

鋼球內壁,密密麻麻地排滿了2萬隻20英吋光電倍增管。這些橢圓形的“黃金瞳”像探測器的眼睛,將捕捉液體閃爍體發出的閃爍光,將其轉變成電信號記錄下來,再分析是不是由中微子發出的。

光電倍增管,大的是20英吋光電倍增管,共2萬隻;小的為3英吋光電倍增管,共2.5萬隻。中科院高能物理所供圖。
光電倍增管,大的是20英吋光電倍增管,共2萬隻;小的為3英吋光電倍增管,共2.5萬隻。中科院高能物理所供圖。

“中微子很難和物質發生反應,但它們打到液閃中的發光物質上,會發出極微弱的光。科研人員需要用光電倍增管,將微弱的光信號轉換成電子信號後再放大1000萬倍。”馬驍妍說,光電倍增管之間的間隙僅為3毫米,緊密排列是為了減小死區,從而探測到更多的光子。

探測器研製最難的一道關,就是世界上探測效率最高的光電倍增管。

在江門中微子實驗之前,20英吋光電倍增管的生產被日本濱鬆公司壟斷。徐美杭是中科院高能物理所實驗物理中心光電倍增管測試與防護系統的骨幹。她說:“當時一隻管加上後面的防水封裝,市場價大概是5萬元,濱鬆公司知道我們正在研製後,給我裸管的報價降到了3.3萬元。”

按照一根管子5萬元計算的話,光2萬隻管子就要10億元,而實驗的總投入才20億元。如果光電倍增管不能做到國產化,國外廠家的要價不可能降下來。“在中科院高能物理所的牽頭下,科研團隊一邊加緊國產化研製,一邊向外界傳遞出‘我們能做出來’的積極信號。”

“核心關鍵技術設備的自主可控,對實現基礎科學研究的目標是極其重要的。我們不僅要做到國產化,還要將指標做到國際領先。”王貽芳說,經過無數次的實驗探索和聯合攻關,2020年,1.5萬隻國產光電倍增管全部出廠並通過驗收。“光電倍增管在上世紀30年代就被發明了,在過去的七八十年間,它的探測效率基本維持在10%-15%之間。”他說,此次國產光電倍增管探測效率大於30%,相比之下,日本濱鬆光電倍增管的效率也只達到28.5%。

光電倍增管需要在水裡工作,所以必須進行防水封裝。防水封裝的難點在於,其失敗率要求非常苛刻——六年的失敗率不能超過0.5%。也就是6年里,200個光電倍增管中只能有1個因漏水而損壞。而此前,國際上其他中微子實驗的這一數字通常為5%以上。

“雖然要求前六年的數據,但我們的實驗都是按照20年來做的。”徐美杭說,團隊製作了200個模型,給它們創造了加速老化的環境,再進行水壓試驗,計算防水封裝的可靠性。

光電倍增管防護還有另一個必須關注的問題——防止在水中產生鏈式爆炸。由於光電倍增管內部是真空,一旦一個發生爆炸,水下衝擊波會導致一連串光電倍增管爆炸,像被點燃的鞭炮一樣,被稱為“殉爆”。2001年,日本超級神岡實驗注水時,就發生過這樣的災難性事故,損失了8000多個光電倍增管。“為了防止殉爆的發生,我們給每個光電倍增管都加裝了由有機玻璃和不鏽鋼組成的防護罩。” 徐美杭說。

記者採訪當天,第一批光電倍增管從測試與封裝基地運達江門中微子實驗室,將被運往700米的地下。“感覺像嗬護了多年的孩子要離家獨自生活了一樣,有點捨不得,但前方的路我們已經鋪好了。”她說。

科學目標

所有設備就位後,浸泡著探測器的水池將注滿高純水,以屏蔽中微子之外的其他物質。明年夏天,水池上方將用氮氣封住,並蓋上“黑蓋子”,將光和空氣隔絕。江門中微子實驗設計壽命是30年,蓋子再度開啟,要等到30年後。

如果不是近距離感受大科學裝置,很難想像這樣一個“超級工程”,要處置的繁雜細節如此之多。被問及是否焦慮,江門中微子實驗的“總指揮”王貽芳給出了否定的答案。“所有最難的問題已經提前得到解決。”

目前國際上共有三個大型中微子實驗。王貽芳說,中國的江門中微子實驗、日本頂級神岡實驗、美國DUNE實驗的科學目標有相似的地方,包括中微子質量測序等,“但我們將比他們早4-5年”。

研究中微子對理解宇宙演化具有很重要的意義。“中微子質量的大小和每個人都有關係,如果其質量為0,宇宙中的密度漲落不會存在,宇宙可能是平靜、死寂的,沒有星系、銀河系、太陽和我們”。

同時,中微子是研究天體和地球內部的探針,將在檢驗超新星爆發機制、驗證地球物理模型、研究太陽物理等方面發揮關鍵作用。江門中微子實驗預計每天能捕獲到60個反應堆中微子、4個大氣中微子、1個地球中微子以及上千個太陽中微子。

超新星對於宇宙的演化非常重要。據王貽芳介紹,超新星爆發後,其能量的99%以上是由中微子發出的。1987年,日本物理學家小柴昌俊成功觀測到10個超新星爆發時的中微子,由此獲得了2002年諾貝爾物理學獎。截至目前,人類總共才看到20個超新星爆發中微子。如果類似的近距離有超新星再爆發一次,幾秒之內,江門中微子實驗就可以看到5000個超新星爆發中微子。

根據理論計算,在銀河系中,每100年有2次左右的超新星爆發。但目前,人類已經有400年沒有觀測到銀河系內的超新星爆發。他說,希望江門中微子實驗在“有生之年”可以趕上一次。

同時,宇宙中還存在大量超新星遺蹟中微子,是以往超新星爆發產生的。“理論上有,但目前沒有人看到過。我們希望實驗可以首次看到超新星遺蹟中微子,這對我們理解超新星爆發的模型、能譜和整個過程非常重要。”

王貽芳稱,實驗運行的10年內,隨著數據量不斷積累,將解決中微子質量測序問題,下一步,實驗將探索無中微子雙β衰變問題。

2023年,江門中微子實驗將完成建設,逐步開始取數。屆時,世界將為之矚目,期待著它帶來新的發現。

新京報記者 張璐

編輯 陳靜 校對 劉軍

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