一群人在廣東深山里放了一個(gè)超大水晶球，計(jì)劃在地下700米捕捉“宇宙幽靈”

2023年度“科普中國(guó)青年之星創(chuàng)作大賽”獲獎(jiǎng)作品

作者：何婧雯

700米是什么概念？它是幾十層樓那么高，是大約7000個(gè)香飄飄連起來(lái)那么長(zhǎng)。那如果是向下700米呢？那將是需要乘坐軌道纜車，通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的斜井才能到達(dá)。

在廣東的深山里，有一群人計(jì)劃在地下700米挖出一個(gè)大洞，放置一只超大的水晶球，在水晶球里注入兩萬(wàn)噸最透明的液體，在球壁上鋪滿了令人炫目的金黃色器件。如果在施工前期走進(jìn)洞口，你會(huì)發(fā)現(xiàn)洞的入口處彌漫著濃重的霧氣，走進(jìn)濃霧，熱浪夾雜水汽撲面而來(lái)，幽長(zhǎng)的隧道如同一個(gè)大蒸籠，滯重的濕氣悶蒸著人的皮膚，陽(yáng)光很快就被屏蔽到身后，小過(guò)山車一樣的軌道纜車將載著你通向地底深處——以上的一切不是魔法世界或奇幻小說(shuō)的場(chǎng)景，是中國(guó)科學(xué)家捕捉“宇宙幽靈粒子”的實(shí)驗(yàn)基地。

江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖 圖源：江門合作組

什么是宇宙幽靈粒子？

“幽靈粒子”實(shí)際上叫做中微子。

1930年，物理學(xué)家泡利假設(shè)了一種不帶電、弱相互作用的粒子，并將這種可能存在的粒子命名為中微子。1956年，中微子成功被兩位美國(guó)物理學(xué)獎(jiǎng)探測(cè)到了，這一成果在1995年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中微子為什么重要？因?yàn)樗菢?gòu)成我們物質(zhì)世界的“1/4”。

山川河流、巖石土壤，每個(gè)在地球上存活過(guò)的生命，乃至宇宙星河——我們已知的、能看見(jiàn)和看不見(jiàn)的一切物質(zhì)，都由12種基本粒子構(gòu)成。這些基本粒子中有3種是不同類型的中微子，即電子中微子（e）、繆子中微子（μ）和陶子中微子（τ）。

中微子有三種類型 圖源自網(wǎng)絡(luò)

中微子十分懶惰，它呈電中性，不輕易和物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)十萬(wàn)億個(gè)中微子穿過(guò)地球時(shí)，只有一個(gè)中微子會(huì)跟地球發(fā)生相互作用。事實(shí)上，每秒都有數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的中微子，以接近光速的速度從我們的身體里穿過(guò)，而我們卻根本感受不到它，這也是因?yàn)橹形⒆拥倪@個(gè)特性。

“中國(guó)有史以來(lái)最重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)”

中微子不僅會(huì)隱身，還會(huì)變身，科學(xué)界將三種中微子之間的相互轉(zhuǎn)換，稱為“中微子振蕩”。換一個(gè)形象的比喻，e、μ、τ三種中微子好比是你數(shù)、語(yǔ)、外三科老師。想象一下，你的數(shù)學(xué)老師正上著課，突然變成了語(yǔ)文老師；語(yǔ)文老師講著講著，又變成了英語(yǔ)老師，這種變化就是中微子振蕩。

加拿大的SNO實(shí)驗(yàn)和日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，分別發(fā)現(xiàn)了數(shù)學(xué)老師變成語(yǔ)文老師，以及語(yǔ)文老師變成英語(yǔ)老師的模式。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)共同獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

那么，接下來(lái)要探索的則是，數(shù)學(xué)老師就不能直接變成英語(yǔ)老師嗎？

存在第三種中微子振蕩模式嗎？

2003年左右，國(guó)際上提出了8種實(shí)驗(yàn)方案來(lái)探測(cè)中微子的第三種振蕩模式，其中就包括中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)。最終3個(gè)方案得以實(shí)施，分別是中國(guó)大亞灣、韓國(guó)RENO和法國(guó)的Double Chooz。誰(shuí)能率先測(cè)得中微子的第三種振蕩模式，誰(shuí)就贏得了這場(chǎng)物理科學(xué)的全球競(jìng)賽。

大亞灣實(shí)驗(yàn)有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)——由于中微子不易被捕捉到，科學(xué)家們要想對(duì)它展開(kāi)研究，就需要很強(qiáng)的中微子源不斷地產(chǎn)生中微子，而大亞灣實(shí)驗(yàn)探測(cè)器附近就有一個(gè)強(qiáng)大的中微子源。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的中心探測(cè)器 圖源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

中微子源有天然的也有人工形成的。比如太陽(yáng)就是一個(gè)超大的中微子源；此外，超新星爆發(fā)、宇宙射線穿過(guò)大氣層時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的中微子；地球也會(huì)發(fā)射中微子；甚至我們自己都是中微子源，因?yàn)槿梭w含有鉀元素，而鉀的同位素衰變又會(huì)產(chǎn)生中微子。除這些天然的中微子源外，還有反應(yīng)堆核裂變、加速器的束流打靶等人工中微子源。

大亞灣實(shí)驗(yàn)選址在距離大亞灣核電站反應(yīng)堆不遠(yuǎn)的地方，可以很好地接收伴隨反應(yīng)堆核裂變產(chǎn)生的中微子。因?yàn)榇髞啚车倪@一特殊之處，美國(guó)人決定放棄本土設(shè)計(jì)的兩個(gè)方案，帶著3400萬(wàn)美元的建設(shè)資金和科學(xué)家加入了中國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。

當(dāng)時(shí)，各國(guó)都在爭(zhēng)分奪秒地建設(shè)實(shí)驗(yàn)站，展開(kāi)取數(shù)工作，為的是能搶在其他國(guó)家之前發(fā)布這一重大物理學(xué)成果。

2011年8月，韓國(guó)RENO開(kāi)始取數(shù)，而中國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)原本計(jì)劃建成8個(gè)探測(cè)設(shè)備，此時(shí)才剛建成6個(gè)。韓國(guó)搶先開(kāi)始取數(shù)，意味著他們隨時(shí)可能公布成果。中國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)科研團(tuán)隊(duì)當(dāng)機(jī)立斷，決定提前啟動(dòng)探測(cè)裝置！

兩個(gè)月后，中國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)就測(cè)得了中微子的第三種振蕩模式，并發(fā)布了這一重要成果。Science雜志將其評(píng)為當(dāng)年全球十大科學(xué)突破，并認(rèn)為該成果是“中國(guó)有史以來(lái)最重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)”。

全面國(guó)產(chǎn)化！新的故事將始于地下700米

2020年，大亞灣實(shí)驗(yàn)光榮退役，但中微子還有很多未解之謎。

其實(shí)早在大亞灣實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始建設(shè)之時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始思考大亞灣之后的中微子研究。經(jīng)過(guò)科研人員的反復(fù)討論和驗(yàn)證，最終，廣東江門開(kāi)平市的打石山被選為新中微子實(shí)驗(yàn)基地，命名為”江門實(shí)驗(yàn)“，其主要任務(wù)是對(duì)三種中微子的質(zhì)量進(jìn)行排序，利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家還可以研究超新星、地球及太陽(yáng)發(fā)出的中微子，尋找惰性中微子，研究質(zhì)子衰變等等。

要想研究中微子，需要盡量屏蔽宇宙射線和光的干擾，以便探測(cè)器能更好地發(fā)現(xiàn)中微子的蹤跡。把探測(cè)器建在地下700米，就是為了借山石土地屏蔽宇宙的其他射線。當(dāng)然，僅是屏蔽其他宇宙射線還不夠，還需要有捕捉中微子蹤跡的“眼睛”。

捕捉中微子的原理說(shuō)起來(lái)也很簡(jiǎn)單：科研人員在地下700米的巨大水晶球中，注入“液體閃爍體”，如果中微子在這個(gè)液體里發(fā)生反應(yīng)，液體就會(huì)出現(xiàn)熒光；接著，球體周圍遍布的“獵眼”——探測(cè)器件“光電倍增管”就會(huì)捕捉這些微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)保存下來(lái)，提供給研究人員做分析研究。

“獵眼”光電倍增管 劉悅湘 攝

光電倍增管是中國(guó)大亞灣和江門實(shí)驗(yàn)的最核心探測(cè)器件。2003年中國(guó)團(tuán)隊(duì)提出大亞灣實(shí)驗(yàn)時(shí)，國(guó)內(nèi)還只能生產(chǎn)2英寸的光電倍增管，口徑小，靈敏度不夠高，批量穩(wěn)定性差，遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求。當(dāng)時(shí)，日本的濱松公司幾乎壟斷了國(guó)際上高端光電倍增管的生產(chǎn)。大亞灣實(shí)驗(yàn)所用的近3000支8英寸光電倍增管是美方從日本采購(gòu)的。

對(duì)于江門實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，若想測(cè)得中微子質(zhì)量排序，國(guó)際上現(xiàn)有的光電探測(cè)器件，包括日本濱松公司的產(chǎn)品都不能滿足新實(shí)驗(yàn)的要求，且濱淞的光電倍增管價(jià)格昂貴，是我們預(yù)期成本的兩倍以上，我們沒(méi)有議價(jià)的主動(dòng)權(quán)，能否研制出高性能的光電倍增管成為了江門實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。

2009年左右，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)決心要盡快啟動(dòng)研發(fā)中國(guó)自己的光電倍增管，滿足實(shí)驗(yàn)要求，并打破壟斷，降低實(shí)驗(yàn)成本，在外購(gòu)中爭(zhēng)得主動(dòng)權(quán)。

當(dāng)時(shí)，大亞灣實(shí)驗(yàn)的首席科學(xué)家王貽芳與幾位同事設(shè)計(jì)了一個(gè)光電倍增管概念圖，其設(shè)計(jì)思路完全不同于國(guó)際上通行的傳統(tǒng)方案。經(jīng)過(guò)反復(fù)討論和驗(yàn)證，得出結(jié)論——這個(gè)創(chuàng)意非常大膽，但原理上可行！

有機(jī)玻璃球升降平臺(tái) 圖源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

2011年底，中國(guó)科學(xué)院高能所牽頭，包括北方夜視在內(nèi)的幾家單位組成的合作組成立，新型光電倍增管的預(yù)研正式啟動(dòng)。

幾年間，合作組幾乎跑遍了半個(gè)中國(guó)，尋找愿意一起研制的企業(yè)，從零開(kāi)始摸索新工藝條件和配方，改變工人操作習(xí)慣，攻克了包括保持全面積高量子效率、大玻殼研制、真空封裝等等技術(shù)難題。2015年，在規(guī)定的期限之前，中國(guó)終于研制出關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的光電倍增管樣管，并擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為進(jìn)入工程化和批量生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

高效率20英寸光電倍增管國(guó)際上從未量產(chǎn)過(guò)，對(duì)產(chǎn)品可靠性也沒(méi)有把握。為保證供應(yīng)鏈安全，科研團(tuán)隊(duì)最終決定分別由中國(guó)的北方夜視公司承擔(dān)15000只、日本濱松公司承擔(dān)5000只光電倍增管的生產(chǎn)。最終，江門合作組實(shí)測(cè)北方夜視的生產(chǎn)的光電倍增管平均探測(cè)效率為30.1%；日本濱松的為28.5%，均優(yōu)于27%的實(shí)驗(yàn)要求。

值得驕傲的是，江門中微子探測(cè)器的所有主材料，全部高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本。

盛放最透明液體的不銹鋼容器 劉悅湘 攝

為什么要做基礎(chǔ)科學(xué)研究？

從牛頓定律到量子力學(xué)，從黑洞到引力波，全人類總是共享基礎(chǔ)科學(xué)的成果。既然如此，等待別人做研究就可以，為什么還要自己去做基礎(chǔ)科學(xué)的研究呢？

對(duì)此，王貽芳曾在接受果殼科學(xué)人采訪時(shí)給出了他的答案：“對(duì)于所有的技術(shù)發(fā)明和科學(xué)成果，最先發(fā)現(xiàn)的人有一定的優(yōu)勢(shì)。如果只是享受別人的成果，那么別人會(huì)看不起你，會(huì)搶奪你的財(cái)富。你掌握了最前沿的知識(shí)，自然就會(huì)有最前沿的技術(shù)，有了最前沿的技術(shù)，剩下的東西自然都會(huì)有的?！?/p>

人類的歷史在無(wú)垠的宇宙面前無(wú)比短暫，即便是在僅存幾十億年的地球面前，都短暫得如同一天之中的一秒鐘一樣。可就是這樣短暫的一秒鐘里，人類創(chuàng)造出了燦爛的文明，并不斷探索著宇宙的終極答案。

“理解神奇美妙的粒子物理世界，是人類文明發(fā)展最高端的標(biāo)志之一?！蓖踬O芳說(shuō)。江門中微子實(shí)驗(yàn)是中國(guó)最重要的基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，是中國(guó)向浩瀚宇宙發(fā)出的又一次天問(wèn)。了解更多中微子的奧秘，可能就能讓我們?cè)谔剿髅ＣＳ钪娴娜f(wàn)里征途中，邁出這鄭重而堅(jiān)實(shí)的一小步。

江門中微子實(shí)驗(yàn)在2015年破土動(dòng)工，計(jì)劃于今年正式完工。文章開(kāi)頭描述的場(chǎng)景如今也已不復(fù)存在，通風(fēng)管道很好地保證了基地的溫度和濕度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

地下700米，期待中國(guó)之聲響徹。

【致謝中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所中微子方向副研究員趙潔老師對(duì)本文的審閱和建議】