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求解“幽靈粒子”之謎,中國建造12層樓高玻璃球
最后更新: 2019-12-27 07:39:50在一個12層樓高的玻璃球里注入透明液體,中國科學(xué)家打算造一個全世界最大的“水晶球”來捕捉宇宙中的“幽靈粒子”——中微子,從而找到通向物理新世界的大門。他們將把一個直徑達35.4米的有機玻璃球安裝在廣東省江門市西南部的打石山中。施工人員已經(jīng)在700多米深的花崗巖下方挖出一個空洞,作為未來的實驗大廳。
“我們一直在不停地抽排地下水。現(xiàn)在,水位已明顯降低,相信很快就能排干凈?!苯T中微子實驗發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳近期介紹項目進展時說。
江門中微子實驗(JUNO)于2015年1月開工建設(shè)。若順利,明年年中,施工人員將開始在地下實驗廳中組裝巨大的球形探測器。
這是中國最復(fù)雜的高能物理實驗裝置,預(yù)計2022年建成。與當(dāng)前最好的國際同類設(shè)備相比,它的規(guī)模要大20倍,精度提高近一倍。
JUNO規(guī)劃圖。(中科院高能所供圖)
“幽靈粒子”
中微子是組成自然界的一種基本粒子,在宇宙中廣泛存在。大多數(shù)粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產(chǎn)生,例如太陽發(fā)光、超新星爆發(fā)、宇宙射線、核反應(yīng)堆發(fā)電等。
中微子也是目前最神秘的粒子之一。它們不帶電,質(zhì)量極小,幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。它們?nèi)缬撵`一般穿透地球,來無影去無蹤,每秒鐘就有3億億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體。
正因為中微子不會像光子、電子一樣,與其他粒子相互作用,它們所攜帶的關(guān)于恒星、黑洞乃至整個宇宙的“核心秘密”,吸引著好奇的人類。
它們可以直接穿過劇烈“燃燒”的恒星內(nèi)部而不被吞噬,成為人類了解恒星中心核反應(yīng)過程的媒介;它們在宇宙誕生之初就已存在,且不像光子在宇宙大爆炸38萬年之后才結(jié)束和其他粒子相互作用開始傳播,所以也是研究宇宙最早期歷史的載體。
上世紀50年代,科學(xué)家首次觀測到中微子的存在,后來又發(fā)現(xiàn)中微子其實有三種,分別是電子中微子、μ中微子、τ中微子,它們在飛行時可以“一人分飾三角”,在三種類別之間相互轉(zhuǎn)化,這也被稱作中微子振蕩。
在這個領(lǐng)域,中國是后來者,但做出了重要貢獻。2012年,大亞灣中微子實驗室宣布發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式,成為中微子研究的一個重要里程碑。
但是,中微子仍有太多未解之謎。江門中微子實驗副發(fā)言人、中科院高能物理所研究員曹俊指出,中微子很難探測,很多實驗研究進展有限,就是因為捕捉到的中微子信號太少,數(shù)據(jù)太少。
JUNO地理位置。(中科院高能所供圖)
超級玻璃球
探測中微子,一種辦法是通過液體閃爍體探測器來捕捉它們產(chǎn)生的信號。
科研人員在有機玻璃球里注入透明的特制液體——液體閃爍體(簡稱“液閃”),當(dāng)中微子穿過球體時,會有一定的幾率和液體里密布的氫核發(fā)生反應(yīng)。每一次反應(yīng)產(chǎn)生一個正電子和一個中子,正電子隨即湮滅釋放出一個快信號,中子則在反復(fù)碰撞后被其他氫核吸收并釋放出一個慢信號。一前一后兩次閃爍,就透露了中微子的行蹤。
為了提高探測靈敏度,JUNO的選址經(jīng)過精心測算。實驗室建在地下,以屏蔽宇宙射線的干擾;距離陽江核電站和臺山核電站都是53公里,可以同時利用兩者釋放的海量中微子,并畫出更精細的中微子能譜圖。
但是,較長的距離也會造成中微子流的“稀釋”,就好比放煙花,火花四散,越往外密度越低。JUNO比目前世界上最大的中微子液閃探測器——日本的KamLAND探測器還要大20倍,后者注入了1000噸液閃,而JUNO要容納兩萬噸液閃,才能盡可能多地“俘獲”中微子。
“探測器越大,捕捉到的信號就越多,數(shù)據(jù)量就越大,就越能看到別人所看不到的?!辈芸≌f。
根據(jù)設(shè)計方案,JUNO會由265塊有機玻璃板現(xiàn)場組裝而成,并被鋼架固定在一個裝有約4萬噸純凈水的大池中。
這么大的玻璃球,給工程建設(shè)帶來了挑戰(zhàn)。江門中微子實驗項目組先后請來幾個知名力學(xué)團隊幫忙設(shè)計,并搭建了專門實驗室,測試有機玻璃的力學(xué)性能和老化情況,還造了一個直徑3米的小球來驗證計算和測試是否準確。
“經(jīng)過實驗證明無誤后,我們才把這套算法用來設(shè)計大的探測器。我們要確保它能運行30年?!辈芸≌f。
為確保12層樓高大球的設(shè)計安全無誤,科研人員先造出直徑3米的小球,進行模擬實驗。圖為小球模型吊裝。(中科院高能所供圖)
“捕獲”微光
僅僅把探測器造很大,還不夠。中微子引發(fā)的閃爍非常微弱,肉眼無法看到??蒲腥藛T還要調(diào)配出極其透明的液閃,并在玻璃球外安裝數(shù)萬個光電倍增管,才能讓微光“顯形”。
液閃主體為烷基苯,是洗衣粉的原材料?!拔覀冊谀暇┱业搅朔蠗l件的廠家,生產(chǎn)出特制的液體,直接導(dǎo)入罐裝車,運往南方的實驗室?!辈芸≌f。
在注入玻璃球前,為了清除運輸過程帶來的污染,科研人員還要把液體又“洗”又“蒸”:用三氧化二鋁過濾,吸附雜質(zhì);蒸餾,去除光學(xué)干擾和天然放射性;往液體里加兩種發(fā)光物質(zhì),再用超純水洗一遍;最后,進行蒸汽剝離和水萃取。
“這可以說是世界上最透明的液體,多么微弱的光都可以透過?!辈芸≌f。
穿過液閃的光子,隨即會被密布在球外的2萬個20英寸光電倍增管和2萬5千個3英寸光電倍增管“捕獲”。這些光電倍增管就像一只只凸起的眼睛,可以看到任何信號微瀾。
科研人員正在測試光電倍增管性能。(中科院高能所供圖)
20英寸光電倍增管制造難度很大,其中15000個由國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)?!白畛?,JUNO打算全部從國外采購,但當(dāng)時只有日本一家公司生產(chǎn),光這一項就要花費整個項目40%的經(jīng)費,而且信號收集效率也達不到要求。于是,我們決定自主研發(fā)?!盝UNO光電器件性能標定實驗室的朱瑤回憶說。
從2009年成立至今,朱瑤所在的實驗室奮斗了10年,鉆研出一套和國外產(chǎn)品完全不同的技術(shù)方案。
“光子進入光電倍增管,會被轉(zhuǎn)化成電子,經(jīng)過微通道板多次倍增后,一個電子可以變成一千萬個電子,信號就被放大了。我們研發(fā)的微通道板,是將一根根直徑約6微米、細如發(fā)絲的玻璃管擠壓在一起,然后切片,不僅倍增效果好,收集效率高,還使生產(chǎn)成本降低了一半?!敝飕幷f。
未來,這些被放大的光電信號或許可以幫助科學(xué)家解開一個重要的謎題——中微子的質(zhì)量順序,即三種中微子哪個最重。
“中微子的質(zhì)量順序是自然界的基本參數(shù)之一,影響宇宙的演化進程。知道了質(zhì)量順序,可以為其他研究鋪路?!辈芸≌f,“理論家一直試圖建立統(tǒng)轄宇宙萬物的大統(tǒng)一理論,質(zhì)量順序是檢驗這些理論是否正確的鑰匙。”
(記者 全曉書王攀荊淮僑)
標簽 科技- 原標題:中國建造超大玻璃球求解“幽靈粒子”之謎
- 責(zé)任編輯: 于文凱 
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