地下700米粒子捕手

工人正在安装中心探测器的不锈钢网架网壳部分。建设中的江门中微子实验中心探测器展示了其壮观景象，工人们在不锈钢网架上进行施工。地下700米粒子捕手！

中微子是构成物质世界的基本粒子之一，也是宇宙中最常见的粒子。它与物质的相互作用极为微弱，具有极强的穿透力，可以轻松穿过人体、地面、地球甚至是太阳。中微子的质量非常轻，以接近光速运动。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。中微子研究有望发现超出标准模型的新物理，对研究宇宙演化、恒星形成、超新星爆发机制等有重要意义。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”中微子非常困难，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。

2003年，中国科学院高能物理研究所科研人员提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子来寻找中微子的第三种振荡模式。2007年，大亚湾反应堆中微子实验站动工建设，主体由地面控制室和地下5个实验室组成，垂直距离最深可达320米。2011年年底，大亚湾反应堆中微子实验提前以6个探测器开始运行。2012年3月8日，时任中国科学院高能物理研究所所长王贻芳宣布，大亚湾反应堆中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。此后，大亚湾反应堆中微子实验继续高质量运行，取得多项世界领先的科研成果。2020年年底，大亚湾反应堆中微子实验装置正式退役。

如今，我国新一代大型中微子实验装置——江门中微子实验正在紧张建设中。2024年10月10日，记者来到广东江门中微子实验室，映入眼帘的是错落有致的白色建筑，四周青山环抱。通过罐笼下降约5分钟，来到位于地下700米的实验大厅。选择在广东江门进行新一代中微子实验是因为该地区符合苛刻条件，包括周围有广东阳江和台山反应堆群，对测量质量顺序有效的总功率世界最高，也能找到跟所有反应堆距离基本相等的点。建在地下可以屏蔽大部分宇宙线干扰，因此几乎所有中微子实验都在地下进行。

江门中微子实验2013年立项，2015年开工建设地下洞室。该洞室是国内拱顶跨度最大的地下洞室，顶部起拱跨度达49.5米。面对岩体富水性强等世界级工程难题，技术攻关团队开展大量技术研究并确定合理施工方案，最终地下洞室于2021年年底顺利交付使用。

实验大厅内有一个巨大的白色球体，坐落在圆柱形的水池中，这是江门中微子实验的核心探测设备——中心探测器。中心探测器直径41.1米的不锈钢网壳承载着直径35.4米的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体（液闪）、2万个20英寸光电倍增管、2.5万个3英寸光电倍增管等部件。探测器运行时，水池中还要注入3.5万吨超纯水。

有机玻璃球由263块12厘米厚的烘弯球面板和上下烟囱粘接而成，净重约600吨，是世界最大的单体有机玻璃球。为保证高透光率和低本底的特点，有机玻璃板材生产采用了独特配方和工艺。拼接有机玻璃球时表面需要用膜材料和带有水溶胶的纸进行保护，防止氡及其衰变子体污染有机玻璃。此外，研发团队通过多种方法降低老化速度，确保探测器安全运行。

2万吨液闪起到了主要作用，当大量中微子穿过探测器时，极少的一部分会与液闪发生反应，发出极其微弱的闪烁光，被光电倍增管探测到，从而达到捕捉中微子的目的。液闪需要非常干净，高洁净度、高密封、高效率的纯化系统去除了液闪中的放射性杂质、惰性气体等，提高了透明度和光学性能。

密布于不锈钢网壳内侧的光电倍增管为捕捉中微子布下了“天罗地网”。每个直径足有半米长的20英寸光电倍增管在中心探测器上要安装2万个，再加上2.5万个3英寸光电倍增管。这些光电倍增管将中微子与液闪反应的光信号转变为电信号，并放大千万倍，在计算机中进行具体分析和研究。中国科学院高能物理研究所的科学家们发明了一种全新构型及电子放大方式的新型光电倍增管，最终研制出具有完全自主知识产权的光电倍增管样管，打破了国际垄断。

光电倍增管长时间工作在44米深的水池中存在内爆风险，为此，研究人员研制了一套水下防爆系统，为每一个光电倍增管加装保护装置。该防爆系统可以有效减缓高压水填充真空区域的速度，显著减低冲击波的强度，避免发生链式反应。

目前，江门中微子实验建设进入收官阶段，预计11月底完成全部安装任务，并启动超纯水、液闪的灌装，2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。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，以及在2030年装置升级后测量中微子的绝对质量，也将在太阳中微子、地球中微子等研究方面达到国际最好水平，并有望在超新星中微子、质子衰变等方面取得重大成果。