江门中微子实验室为何建在地下700米？将如何捕获中微子？专家解读

【环球时报报道 记者 刘扬 冷舒眉】我国重大科技基础设施江门中微子实验（JUNO）的建设进入收官阶段，11月20日，江门中微子实验探测器主体建成。这个位于广东江门的大科学装置建在地下700米，建成后将主要研究宇宙中的一种“幽灵粒子”——中微子。什么是中微子？研究这些“幽灵粒子”有哪些重大科学意义？这一科学装置为何要建在地下700米，它又将如何捕获中微子呢？围绕相关问题《环球时报》记者采访了中国科学院高能物理研究所实验物理中心中微子一组组长何苗研究员。

中微子是什么

想要了解江门中微子实验的科学研究价值，首先要了解什么是中微子。据专家介绍，中微子是宇宙形成之初就存在的最古老也最原始的基本粒子之一，携带着非常多重要的神秘信息。中微子是构成物质世界的基本粒子之一，在最微观的物质世界和最宏观的宇宙中起着重要作用，如果没有中微子，太阳不会发光，也不会有银河系、地球，以及人类。

谈到人类对中微子的研究历史，中国科学院高能物理研究所实验物理中心中微子一组组长何苗研究员对《环球时报》记者表示，自从奥地利科学家泡利在1930年提出中微子假说以来，中微子的研究已经走过了近百年历史。20世纪70年代，中微子中性流过程的实验发现成为粒子物理学史上的里程碑。在2000年前后，日本和加拿大的中微子实验装置首次观测到了大气和太阳中微子的振荡现象，这一突破为两国科学家赢得了2015年的诺贝尔物理学奖。

建在地下700米

江门中微子实验大科学装置是科研团队耗时多年，在广东江门地下700米深处建造的一个巨型实验室。地下700米是什么概念？中国科学院高能物理研究所高级工程师钱小辉表示，实验室的位置到其正上方的山顶有700米距离，如果把广州地标“小蛮腰”放进地下，塔尖离山体表面还有100米。

为什么要将探测、研究中微子的大科学装置建在700米地下呢？中国科学院高能物理研究所研究员衡月昆接受媒体采访时表示，中微子又被称为“幽灵粒子”，是指它极其难探测，因为它跟物质发生作用的概率特别低，物质很难阻挡它，其穿透能力特别强，所以探测难度特别大。

何苗对《环球时报》记者表示，在日本和加拿大的中微子实验装置发现大气和太阳中微子的振荡现象之后，中国的大亚湾反应堆中微子实验于2012年首次揭示了中微子振荡的第三种模式。这一发现不仅完善了中微子振荡的理论框架，还为下一代实验在确定中微子质量顺序等方面指明了方向。在这一背景下，江门中微子实验应运而生，其首要物理目标是通过探测反应堆核裂变产生的中微子能谱，确定中微子的质量顺序。

据何苗介绍，根据中微子振荡理论，探测器在距离反应堆50公里附近的位置上具有最高的灵敏度。另一方面，来自宇宙的射线同样会被探测器观测到，干扰对中微子的探测。岩石能够有效屏蔽宇宙射线，因此探测器需要建在地下。700米的山体可以将宇宙射线的事件率降低近十万倍。江门市金鸡镇的打石山距离具有高功率反应堆的台山和阳江核电站均为53公里，并且打石山的山体能够有效屏蔽宇宙射线，为实验提供理想环境。

江门中微子实验装置什么样

除了建在地下深处，外界还对这个能捕获中微子的大科学装置长什么样充满好奇。据报道，从上空俯瞰，江门中微子实验装置的主体就像一个泡在水中的西瓜，整个球体构成了世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。核心探测设备位于地下700米的实验大厅内44米深的水池中央，它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球，以及数万吨液体闪烁体、4.5万个光电倍增管等关键部件组成。

专家表示，液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光，从而被光电倍增管探测到。4.5万个光电倍增管相当于“眼睛”，密布在不锈钢网架内侧，面朝有机玻璃球，时刻“盯紧”玻璃球里面发出的光信号，将中微子被俘获时发出的光信号转换成电信号，并放大1000万倍，从而获取到其能量、位置等信息，交由计算机分析处理。

“要精确测量中微子的质量，目前的方法是通过观测中微子振荡，来获取其相对质量。描述中微子振荡需要用到6个参数，其中已经有4个半参数，被科学家成功测量。大亚湾实验团队为这一领域作出了贡献，测量了其中的1个参数。”中国科学院院士、江门中微子实验首席科学家王贻芳说：“未来剩下那1个半参数，就是我们需要努力解决的。”

据报道，为了测量这剩下的1个半参数，江门中微子实验需要建造一个有效质量为两万吨的低本底、高透明度的球形液体闪烁体探测器，也就是中心探测器“大玻璃球”。这颗玻璃球的有机玻璃净重约600吨——是世界上最大的单体有机玻璃球。玻璃球内部，将会灌满液闪。它将会浸泡在圆柱形的水池中，池内灌装有数万吨高纯水，水里纯净到连微生物都没有。水池兼做水切伦科夫探测器和天然放射性屏蔽体，顶部为约1000平方米的宇宙线径迹探测器。

将产生哪些科研成果

王贻芳表示，我们一方面想知道中微子的绝对质量是多少，另外一方面也想通过中微子的振荡知道中微子之间的相对质量差是多少。通过这些质量的研究，可以构造对物质世界理解的理论，基于此也可以跟宇宙的起源演化联系起来，让我们理解宇宙和物质世界。

专家称，围绕中微子的研究是典型的基础科学研究范畴，也是国际上最尖端的科学研究领域。中微子研究也许不会在3到5年，甚至10年、20年内给我们的生活带来哪些变化。但就如19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦理论预言了电磁波的存在，从而为人类进入电气时代奠定了基石一样，百年后的人类得以应用到各种家用电器和通信设备。今天我们对于中微子的研究或许也将在未来某个时间改变我们对这个宇宙的认知，从而彻底改变人类生活方式。