江门中微子实验深入地下700米，揭秘幽灵粒子的奥秘

近日，我国重大科技基础设施——江门中微子实验建设进入收官阶段。这个位于江门开平的大科学装置深藏在地下700米，建成后将主要研究宇宙中的一种“幽灵粒子”——中微子。

探索物质世界的基本组成及相互作用是自然界最基本的科学问题之一，大科学装置在其中起到重要作用。作为我国大科学工程建设在粤港澳大湾区的重大布局，江门中微子实验以测量中微子质量顺序为首要科学目标，同时也将深入研究大气中微子、太阳中微子、地球中微子、超新星中微子等。

十年弹指一挥间。项目启动近十年后，距离胜利的终点也越来越近了。近期，在江门中微子实验位于地下700米的中心探测器内部，世界最大单体有机玻璃球全部建成。至此，探测器主体装置基本建成，预计11月底完成全部安装任务，并启动超纯水、液体闪烁体的灌装，2025年8月正式运行取数，将运行约30年。

“接棒”大亚湾中微子实验

2012年，一则引发国际物理学界震动的消息从中国大亚湾发出：人类首次发现中微子的第三种振荡模式。

这次的“幽灵粒子捕手”，是中国科学院院士王贻芳和他所带领的团队。

中微子是构成物质世界最小的单元之一，几乎不与任何物质发生相互作用，不容易被捕捉到。“因此，中微子是人类迄今了解最少的一种基本粒子，存在着诸多未解之谜。”来自中国科学院高能物理研究所的科学家衡月昆告诉记者，21世纪初，中微子成为高能物理学的宠儿，相关实验研究也取得了许多重大发现，包括发现三种中微子。

不过，中微子有一个特殊的性质，那就是它们经常“变身”，从一种类型转变成另一种类型，即中微子振荡。衡月昆解释，原则上三种中微子之间相互“变身”，两两组合共有三种模式。其中两种模式分别在上世纪60年代、80年代即有迹象，当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。

3寸的光电倍增管。刘悦湘 摄

然而，第三种中微子“变身”模式一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。

由于科学意义重大，2003年起，俄罗斯、法国、美国、日本、韩国等7国相继提出8个相似的中微子实验方案。中国科学院高能物理研究所的科研人员也在这一年提出设想，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。

大亚湾中微子实验是中国第一代大型中微子实验，2011年正式运行。次年3月，大亚湾中微子实验宣布发现中微子振荡新模式，被《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破之一。

在作出重大贡献后，2020年12月12日，大亚湾中微子实验装置正式退役。不过，大亚湾中微子实验的句号，并不是我国中微子研究的终点——250公里外的江门开平，新的“接棒者”——一个更为先进、规模更大的江门中微子实验正在建设当中。

大亚湾中微子实验和江门中微子实验有什么不同？对此，衡月昆解释，两个实验虽然都是研究中微子，但具体科学目标完全不同。“大亚湾中微子实验的科学目标是利用核反应堆产生的中微子来测定中微子第三种振荡模式，而江门中微子实验要实现对中微子质量顺序和中微子振荡参数的精确测量。”

故事未完待续。现在，全世界的目光都聚焦在江门中微子实验上。

有望率先测量中微子质量顺序

走进江门中微子实验办公楼，白墙上的十几个大字映眼而入——“下一个挑战：中微子质量顺序”。

从接棒大亚湾中微子实验的那一刻起，王贻芳与他的团队就瞄准了这个重要谜题。

在诸多不确定性中，项目团队首先要回答一个问题：捕获“幽灵粒子”中微子，哪里才是最合适的地点？

答案出乎意料地很快就确定了：位于江门开平金鸡镇的一座深山里。

为什么选择江门？对此，衡月昆解释，核反应堆是地球上产生中微子最集中的位置。江门市距离阳江、台山两处核电站均为53千米，两大反应堆全面建成后总功率居世界第一，可获得双倍的实验样本。“可以说，这里是目前全球最适合做反应堆中微子实验的地方之一。”

中心探测器。刘悦湘 摄

他进一步解释，建设江门中微子实验装置主要有两个目标。“一个是测中微子的质量顺序，谁能最先测出，谁就将成为最先揭开中微子奥秘的人；另一个就是要推进我国尖端技术发展，使光电倍增管、有机玻璃、传感器等技术和工业制造领域冲到国际先进水平。”

另一方面，大科学装置也是高层次科技人才的“蓄水池”。2014年7月，江门中微子国际合作组在北京成立。截至发稿前，已有来自法国、德国、意大利、俄罗斯、比利时、泰国、智利等17个国家和地区的74家科研机构共700余位科学家、工程师参加项目建设。

立足全球科技竞争，江门中微子实装置的建设意义非凡。目前，中国、美国、日本都正在建设同样类型的中微子实验室。与美、日相比，江门中微子实验室将最早建成，也最有希望率先测得中微子的质量顺序。

“借助这一大科学装置，广东将更好链接国际高端创新资源、集聚全球顶尖研究团队。”中国科学院高能物理研究所研究员、开平中微子研究中心主任李小男说，放眼全球，江门中微子实验装置设计、建设等多个领域处于世界领先水平，将为世界探索前沿科学问题、攻克关键核心技术提供强有力的研究平台，是可依托的重要战略科技力量。

实验关键装备安装进入尾声

如今，在开平金鸡镇打石山地下700米的实验室大厅内，一个巨大的球形探测器已经基本建成：一个巨大的球状不锈钢网架，被牢牢固定在直径43.5米、深44米的圆柱形“水桶”里，数十名工人正在专用的工作平台上，小心翼翼地进行安装收尾工作。

中国科学院高能物理研究所高级工程师钱小辉告诉记者，实验室的位置距离其正上方的山顶有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。”

为什么要建这么深？“由于地面上有很强的宇宙射线，会干扰对中微子的探测。700米的山体和岩层就相当于过滤器，可将宇宙射线的强度大幅降低，让我们得到纯净的中微子信号。”钱小辉解释。

从上空俯瞰，江门中微子实验装置的主体就像一只泡在水中的西瓜，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。钱小辉介绍，探测器最外侧是一个国内最大的单体不锈钢结构，整个不锈钢网架由12万套高强螺栓固定。

不锈钢网架内部是世界最大的单体有机玻璃结构。江门中微子实验有机玻璃安装项目经理、江苏汤臣新材料科技有限公司总工程师张高峰介绍，目前玻璃球的安装已经进入尾声。

20寸的光电倍增管。刘悦湘 摄

除了有机玻璃球，想捕捉中微子信号，项目还要依靠一个重要装置——光电倍增管。

钱小辉介绍，超过4.5万个光电倍增管正在加紧安装中。“它相当于实验的‘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。”

值得一提的是，以往这种设备都要从日本进口，每个售价数万元。“但这次实验我们与江苏一家企业合作实现了国产化，单个光电倍增管的价格大大降低，打破了国外30多年的垄断。”钱小辉介绍。

在未来几个月内，有机玻璃球、光电倍增管将全部完成安装。届时，科学家就可以通过球体顶端设计好的“烟囱”，给玻璃球内灌满2万吨可以让中微子“现身”的液体，并在玻璃球外的“大桶”里灌满35000吨超纯净水，用来屏蔽岩石放射性以及甄别宇宙线引起的假中微子信号。

这也意味着，江门中微子实验正式运行取数将进入倒计时。人类成功捕获“幽灵粒子”，也将从梦想走向现实。