首页 IT科技 天天即时:探秘大科学装置,我们来到了地下700米的江门中微子实验室

天天即时:探秘大科学装置,我们来到了地下700米的江门中微子实验室

斜井缆车在幽闭的隧道中行进,15分钟后,新京报记者从地面到达了地下700多米处的井底。没有想象中那么凉爽,这里的岩石温度达到31摄氏度,空气闷热高湿。

(资料图)

换上洁净衣、在风淋室吹淋后,通往实验大厅的大门缓缓开启,随着一座巨型钢架矗立在眼前,大科学装置——江门中微子实验装置露出了宏大精致的外观。未来,它将为基本粒子世界中的“隐士”——中微子测量质量顺序,窥探宇宙的奥妙。

“幽灵粒子”

我们的身体,每秒钟有亿万个中微子穿过,但人们从未感受过它们的“亲密接触”。

中微子是构成物质世界的12种基本粒子之三(电子中微子、缪中微子和陶中微子)。中微子的质量非常轻,小于电子的百万分之一,以接近光速运动。

宇宙中充斥着大量的中微子,大部分为宇宙大爆炸的残留,每立方厘米大约有300个。中微子无处不在,恒星内部的核反应、超新星的爆发、核反应堆的运行,以至于岩石中的放射性物质衰变,都产生大量中微子。

但是,由于中微子与普通物质的相互作用很弱,它们可以轻松穿过人体、建筑甚至整个地球而不被任何物质吸收,不容易被检测到。因此,无所不在的中微子是基本粒子中人类了解最少的一种,被称为“幽灵粒子”。直到1956年,美国科学家才首次从实验中发现中微子。

中微子研究是国际粒子物理研究的热点,是唯一有超出粒子物理标准模型的新现象并取得重大突破的方向,也是粒子物理、天体物理和宇宙学研究的交叉前沿。中微子物理研究领域的几次重大突破都获得了诺贝尔物理学奖。

1998年日本超级神冈实验和2001年加拿大SNO实验证明了中微子振荡现象,即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量,对粒子物理、天体物理与宇宙学具有重大影响,因而被授予2015年诺贝尔物理学奖。

中微子研究简史。中科院高能物理所供图

大亚湾实验

日本与加拿大的科学家发现已知三种中微子之间的两种相互转化现象(振荡),标志着中微子具有不为零的质量,预示着必定存在超出当前粒子物理标准模型的新物理现象。

原则上,三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。然而,第三种中微子振荡模式一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在。

2003年,中国科学院高能物理研究所(中科院高能物理所)的科研人员提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,寻找中微子的第三种振荡模式,并精确测量该振荡的几率。

经过8年的酝酿和建设, 2011年12月,位于深圳市大亚湾核电站北部山地地下的大亚湾中微子实验探测器开始运行取数。大亚湾核反应堆每秒钟产生35万亿亿个中微子,为实验提供了丰富的中微子源。同时这里紧邻高山,可以为地下实验室屏蔽宇宙射线干扰。

开挖地下实验室并不容易,需要解决大量技术难题。大亚湾实验中方负责人是中科院高能物理所所长王贻芳,他举例说,在距核反应堆很近的地方进行爆破,是实验当中遇到的巨大困难。“最终我们克服重重困难,安全完成了邻近核反应堆的约3000次爆破作业,建成了地下实验室。”

2012年3月,大亚湾实验迎来“高光时刻”,大亚湾国际合作组宣布首次探测到中微子的第三种振荡模式,并以前所未有的精度,测得其振荡大小为0.092,误差为0.017,无振荡的可能性仅为千万分之一。这一实验成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破,并获得2016年度国家自然科学一等奖。

完成了科学使命后,我国第一代中微子实验装置——运行了9年的大亚湾核反应堆中微子实验于2020年12月退役。它使我国的中微子研究“从无到有”并跨入国际先进行列。

大亚湾实验的成果,对精确部署未来中微子实验具有重要的指导意义,国际上立刻启动了多个中微子实验。“中微子质量顺序”成了中微子实验研究的下一个重大问题,国际竞争激烈。在我国,“接棒”大亚湾实验的江门中微子实验(JUNO)登场,和正在建设的日本顶级神冈实验、美国的深层地下中微子实验(DUNE)“竞赛”。

撤场前的大亚湾实验大厅。中科院高能物理所供图

地下700米

江门中微子实验位于广东省江门开平市金鸡镇,在地图上连线,这里和阳江核电站、台山核电站可以画出一个“等腰三角形”。核电站发电会产生大量中微子,物理灵敏度分析表明,实验室需距离反应堆50-55公里,实验室的选址,正好和两个核电站皆相距53公里。

“如果只有一个核电站,实验的造价要提高一倍。”王贻芳说。因为在同样距离下,探测到的中微子数正比于反应堆放出的中微子数量以及探测器的靶质量。若反应堆减少,则探测器就要增大,从而提高实验造价。

在地图上,江门中微子实验和阳江核电站、台山核电站构成“等腰三角形”。中科院高能物理所供图

同时,日常环境中存在大量的宇宙射线,它们在探测器中产生的信号将比中微子信号多上亿倍。因此,中微子探测器还需要放在很深的地下,金鸡镇环绕的群山和花岗岩可以起到“屏蔽”宇宙射线的作用。

8月,新京报记者走进江门中微子实验室,在井口乘坐缆车,顺着与水平方向呈23度角的轨道向地下700米驶进,开启了“地壳探险”。据工作人员介绍,缆车本身没有动力,下行时靠重力向下推进,上行时靠钢丝绳牵引。一旦出现钢丝绳断裂等情况导致缆车下行超速,缆车车轮的抱死装置将启动,使缆车停下,确保人员安全。

乘坐缆车顺着斜井前往地下700米的实验大厅。 新京报记者 张璐 摄

悠长深邃的斜井中管道密布,作业的风机在呼呼作响。行至斜井深处,空气变得湿漉漉的,地面上出现了少量顺势而下的水流。“斜井刚开挖到100多米时,就出现地下涌水情况,随着隧道越挖越深,斜井最大涌水量达530立方米/小时。”这与勘查单位此前勘探时发现的最大180立方米/小时的涌水量有较大偏差。

为了避免地下水不断涌出淹没作业面,建设人员采用了“超前探水灌浆”的施工工艺。他们沿着作业面在岩石上打九、十个孔,灌入水泥浆并掺入水玻璃使其加快凝固。水泥浆沿着岩体裂隙,将地下水封堵在30米开外的地方。建设人员开挖掘进25米后,预留5米作为保护层,继续循环打孔注浆。地下水当然也不能完全堵住,以防水压太大把洞压垮。在隧道两侧,每隔几百米留有临时集水井,部分地下水顺着隧道凹槽流入井中,被水泵抽排到地面。1265.16米长的斜井隧道就这样被一点点挖了出来。

地下施工支洞顶拱渗水。中科院高能物理所供图

“地下水的压力非常大,甚至可以将钻机中实心钻杆顶歪,如果固定不牢,钻杆在水压作用下会像箭一样回射出来。”据现场从事基建工作的阎良平介绍,在地质情况如此复杂的情况下使用“超前探水灌浆”的施工工艺,水泥浆配比、注浆量、注浆压力等参数都需要重新摸索改进。经过反复实践并改进配比,他们终于找到了最优方法。

为了通向地下实验大厅,工程还建设了一口竖井,深达564.2米,直径只有5.5米,由于不像斜井一样可以攀爬,工作人员施工时要坐着“铁桶”吊下去、提上来。

“变形金刚塔”与“钢铁铠甲”

缆车到达了井底,这里的岩石温度达到31摄氏度,空气闷热,地面湿滑。步行向下走了几百米,汗流浃背的记者终于来到地下实验大厅的门口。

进入洁净间之前,所有人需要穿上洁净衣、罩住头发、戴上手套和鞋套、经过风淋室吹淋。风淋室的大门向上开启,像置身于科幻电影中一样,一个巨大的钢球和一个通天钢塔直观地矗立在记者眼前。

液压升降平台好似“变形金刚塔”,全程服役于有机玻璃球的安装。中科院高能物理所供图

“我们正处在一个巨大坑洞的坑底,实验大厅高71米,跨度达49.5米,是目前国内跨度最大的地下洞室,内有44米深的水池。”阎良平说,地下大厅没有一根立柱支撑,为了防止塌陷,穹顶和洞室四周布满锚索,锚索深深扎入岩体,像拧紧的螺栓一样对岩石施加预应力,将岩石牢牢固定住。

未来,江门中微子实验的中心探测器——球形液体闪烁体探测器将浸泡在地下实验大厅内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2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

颇具美感的巨大“钢球”,就是中心探测器的主支撑结构——不锈钢网壳,它为其内部与之间隔2米的有机玻璃球穿上了“钢铁铠甲”。液压升降平台可谓“变形金刚塔”,它的直径和高度逐层可变,全程服役于有机玻璃球的安装。

从水池顶端俯瞰不锈钢网壳全貌。中科院高能物理所供图

未来,探测器建成后,容纳探测器的水池将“封盖”,探测器将“不见天日”地运行30年。为了抓住难得的机会看看探测器内部结构,记者手脚并用,在仅能容纳一人的狭窄钢梯通道上攀爬起来。实验大厅的空调使这里的温度保持在21摄氏度,但爬上12层楼高的平台后,记者额头已经微微冒汗。

支撑有机玻璃球和各种仪器设备的“钢球”,使用了大约900吨低放射性的不锈钢材料。“相比碳钢,不锈钢比较软,很难得到需要的刚度和精度,价格也昂贵。但钢球要泡在水中30年,所以还是得用不锈钢。”王贻芳说,为了保证实验大厅的洁净度,同时确保不变形,整个钢结构没有一处焊接,科研人员用12万套高强螺栓将不锈钢构件拼接成型。

最大的玻璃球

实验探测器的研制有三个技术挑战,其一就是研制世界上最大的有机玻璃容器。

在大钢球内,有机玻璃球的安装刚刚开始。工程人员揭开覆盖物,晶莹剔透的玻璃板露出光彩。“这是目前已知的最干净、透明的有机玻璃,肉眼就能明显看出它和普通有机玻璃的区别。”王贻芳流露出自豪的神情,他说,为了达到透明度的指标,生产厂家新建了生产线,对各种材料成分进行了改进,生产工具、模具也进行了特殊的处理。

有机玻璃球厚12厘米,但对于直径35.4米的玻璃球来说,12厘米薄如蛋壳。科研人员准备了265块球形有机玻璃板,最大的一块9米长、3米宽,它们将被分层逐一粘接,拼成玻璃球。粘接材料不是普通的胶水,而是有机玻璃本体材料。

从水池顶端俯瞰,黑色的水池内壁十分醒目,工作人员可以在不锈钢网壳内的平台上安装有机玻璃球。 新京报记者 张璐 摄

此前,国际上最大的有机玻璃球直径12米,用于加拿大SNO中微子探测实验,但现场建造的过程中出现过开裂,经过反复修补,折腾了2年才完成。此次江门中微子实验的有机玻璃球直径达35.4米,面积相当于国外的10倍,要求工期却只有10个月。

江门中微子实验项目总工程师马骁妍告诉新京报记者,此前进行设计时,他们邀请了很多国外的评委进行方案评审。“人家觉得不可想象,说只要你们能把这球做出来,用多长时间都行。但我们的实验要跟国际上其他实验竞争,不能慢了。”

尺寸大、精度高,是有机玻璃球研制的最大难点。前期设计上,科研团队集结了国内高校和科研单位力量,不断优化方案。玻璃球设计得厚一些,结构可靠度自然高,但是设计团队还需要考虑成本。

在生产制造环节,一般的厂家也不敢轻易接手。“这么大一个球,哪个厂家都没做过,我们考察了大量厂家,和3个候选厂家一起做了两年的预研工作。一方面考察厂家的生产制造实力,一方面考察他们的科研素养。厂家的科研团队要和我们一起琢磨这个事情,不断摸索优化。”马骁妍说,有机玻璃生产企业以往做的大多是海洋馆项目,就算使用过程中出现一些问题,一般都可以提前观察到并及时进行处理,但探测器未来将在封闭的水池中运行30年,没有机会进行修复,不容有失。为此,科研人员用小的玻璃样块,不同种类的模型,反复试验。

玻璃板在工厂生产时,就要经过板材浇筑、烘弯、加工、聚合、退火、打磨抛光、清洁、贴膜等多道复杂工序,来到现场还要再吊装、拼装、测量、聚合、退火以及拼接缝处的打磨、抛光、清洁、贴膜等。目前玻璃板正从上往下逐层安装,可以最大程度避免落物对有机玻璃造成损坏。光是玻璃球的安装方案,科研团队就讨论了三年,把所有细节和问题想得清清楚楚。

接下来的安装环节仍面临极大挑战,马骁妍很沉稳,“虽然已经做了大量实验,但现场环境毕竟不同,我们要慢慢来、开好头,把各个环节理解透”。

“大仪器设备的生产,我们通常会培育两家以上企业,避免只有一家企业时发生突然加价的情况。”王贻芳说,如何把钱用在刀刃上,是一个大装置负责人时刻要考虑的问题。工程指标、可实施性、科学目标、经费、工期等各方面都要做到平衡。

最透明的液闪

未来在水池中,有机玻璃球内外会先同时注满最纯净的水,灌装过程使其内外压力保持平衡。此后,科研人员会将球内的水用置换的方法换成2万吨液体闪烁体(液闪),液闪将和光电倍增管共同探测中微子被“俘获”时产生的闪烁光。

江门中微子实验探测器示意图。中科院高能物理所供图

世界上最透明的液体闪烁体,是探测器研制的第二个难关。

“液闪的衰减长度大于20米。”江门中微子实验项目液闪纯化子系统负责人蔡啸解释说,光在经过一段距离后会逐渐衰减,当其强度变成原来的1/e(约为0.37)时,这段距离就叫做衰减长度。中微子被“俘获”时产生的闪烁光本身就很弱,如果液闪不够透明,衰减长度比较短,闪烁光将在传输过程中变得更弱,更难被光电倍增管探测到。

他进一步解释说,从光学性能讲,评价液闪透明度的关键指标是衰减长度。同时,从放射性角度讲,液闪中的放射性杂质去除得越干净越好。“我们要求放射性铀的含量是10的负17次方。”

如何将液闪变得更透明?蔡啸带记者来到了液闪纯化大厅,对四套纯化设备进行一一介绍。液体闪烁体最主要的材料是烷基苯,这种透明的油状液体是制作洗涤剂的原材料。通过管道运抵大厅的特制烷基苯,出厂时衰减长度已然高达15米到20米。

先期到达场地的200吨烷基苯在大罐中用氮气密封保存,将通过管道输送至液闪纯化大厅,用于设备调试。新京报记者 张璐 摄

接下来,科研人员要将烷基苯通过填满氧化铝粉末的吸附柱,进行光学纯化。氧化铝的吸附过滤作用强,可以将烷基苯中的光学杂质去除。接下来科研人员对烷基苯进行蒸馏纯化,降低其放射性本底。此后的烷基苯成为“溶剂”,科研人员会将两种粉末状的发光物质倒入其中搅拌,混制配成高浓度的液闪。

液闪纯化大厅中的蒸馏系统,用于蒸馏纯化烷基苯。 新京报记者 张璐 摄

至此,纯化过程仅仅完成了地上的两个步骤,接下来将转入地下。液闪将通过管路输送到地下的纯化装置,经过水萃取、气体剥离等工序,进一步去除液闪中的铀、钍、钾、氡等放射性元素,最终液闪的衰减长度可以达到20米以上。2万吨液闪中,灰尘总量不能超过0.008克。

江门中微子实验的液闪纯净度,比大亚湾实验提高了1000倍以上。蔡啸说,以上种种复杂的纯化工序,在大亚湾中微子实验时都没有使用到。此次科研人员参考了国外纯化实验,查阅了大量文献,进行了5年多的实验,设计并研制了设备,改进了工艺。

“我是学高能物理的,但在研发纯化设备时,我觉得自己成了‘化工人’。”他说道。

最灵敏的“黄金瞳”

钢球内壁,密密麻麻地排满了2万只20英寸光电倍增管。这些椭圆形的“黄金瞳”像探测器的眼睛,将捕捉液体闪烁体发出的闪烁光,将其转变成电信号记录下来,再分析是不是由中微子发出的。

光电倍增管,大的是20英寸光电倍增管,共2万只;小的为3英寸光电倍增管,共2.5万只。中科院高能物理所供图。

“中微子很难和物质发生反应,但它们打到液闪中的发光物质上,会发出极微弱的光。科研人员需要用光电倍增管,将微弱的光信号转换成电子信号后再放大1000万倍。”马骁妍说,光电倍增管之间的间隙仅为3毫米,紧密排列是为了减小死区,从而探测到更多的光子。

探测器研制最难的一道关,就是世界上探测效率最高的光电倍增管。

在江门中微子实验之前,20英寸光电倍增管的生产被日本滨松公司垄断。徐美杭是中科院高能物理所实验物理中心光电倍增管测试与防护系统的骨干。她说:“当时一只管加上后面的防水封装,市场价大概是5万元,滨松公司知道我们正在研制后,给我裸管的报价降到了3.3万元。”

按照一根管子5万元计算的话,光2万只管子就要10亿元,而实验的总投入才20亿元。如果光电倍增管不能做到国产化,国外厂家的要价不可能降下来。“在中科院高能物理所的牵头下,科研团队一边加紧国产化研制,一边向外界传递出‘我们能做出来’的积极信号。”

“核心关键技术设备的自主可控,对实现基础科学研究的目标是极其重要的。我们不仅要做到国产化,还要将指标做到国际领先。”王贻芳说,经过无数次的实验探索和联合攻关,2020年,1.5万只国产光电倍增管全部出厂并通过验收。“光电倍增管在上世纪30年代就被发明了,在过去的七八十年间,它的探测效率基本维持在10%-15%之间。”他说,此次国产光电倍增管探测效率大于30%,相比之下,日本滨松光电倍增管的效率也只达到28.5%。

光电倍增管需要在水里工作,所以必须进行防水封装。防水封装的难点在于,其失败率要求非常苛刻——六年的失败率不能超过0.5%。也就是6年里,200个光电倍增管中只能有1个因漏水而损坏。而此前,国际上其他中微子实验的这一数字通常为5%以上。

“虽然要求前六年的数据,但我们的实验都是按照20年来做的。”徐美杭说,团队制作了200个模型,给它们创造了加速老化的环境,再进行水压试验,计算防水封装的可靠性。

光电倍增管防护还有另一个必须关注的问题——防止在水中产生链式爆炸。由于光电倍增管内部是真空,一旦一个发生爆炸,水下冲击波会导致一连串光电倍增管爆炸,像被点燃的鞭炮一样,被称为“殉爆”。2001年,日本超级神冈实验注水时,就发生过这样的灾难性事故,损失了8000多个光电倍增管。“为了防止殉爆的发生,我们给每个光电倍增管都加装了由有机玻璃和不锈钢组成的防护罩。” 徐美杭说。

记者采访当天,第一批光电倍增管从测试与封装基地运达江门中微子实验室,将被运往700米的地下。“感觉像呵护了多年的孩子要离家独自生活了一样,有点舍不得,但前方的路我们已经铺好了。”她说。

科学目标

所有设备就位后,浸泡着探测器的水池将注满高纯水,以屏蔽中微子之外的其他物质。明年夏天,水池上方将用氮气封住,并盖上“黑盖子”,将光和空气隔绝。江门中微子实验设计寿命是30年,盖子再度开启,要等到30年后。

如果不是近距离感受大科学装置,很难想象这样一个“超级工程”,要处置的繁杂细节如此之多。被问及是否焦虑,江门中微子实验的“总指挥”王贻芳给出了否定的答案。“所有最难的问题已经提前得到解决。”

目前国际上共有三个大型中微子实验。王贻芳说,中国的江门中微子实验、日本顶级神冈实验、美国DUNE实验的科学目标有相似的地方,包括中微子质量测序等,“但我们将比他们早4-5年”。

研究中微子对理解宇宙演化具有很重要的意义。“中微子质量的大小和每个人都有关系,如果其质量为0,宇宙中的密度涨落不会存在,宇宙可能是平静、死寂的,没有星系、银河系、太阳和我们”。

同时,中微子是研究天体和地球内部的探针,将在检验超新星爆发机制、验证地球物理模型、研究太阳物理等方面发挥关键作用。江门中微子实验预计每天能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子以及上千个太阳中微子。

超新星对于宇宙的演化非常重要。据王贻芳介绍,超新星爆发后,其能量的99%以上是由中微子发出的。1987年,日本物理学家小柴昌俊成功观测到10个超新星爆发时的中微子,由此获得了2002年诺贝尔物理学奖。截至目前,人类总共才看到20个超新星爆发中微子。如果类似的近距离有超新星再爆发一次,几秒之内,江门中微子实验就可以看到5000个超新星爆发中微子。

根据理论计算,在银河系中,每100年有2次左右的超新星爆发。但目前,人类已经有400年没有观测到银河系内的超新星爆发。他说,希望江门中微子实验在“有生之年”可以赶上一次。

同时,宇宙中还存在大量超新星遗迹中微子,是以往超新星爆发产生的。“理论上有,但目前没有人看到过。我们希望实验可以首次看到超新星遗迹中微子,这对我们理解超新星爆发的模型、能谱和整个过程非常重要。”

王贻芳称,实验运行的10年内,随着数据量不断积累,将解决中微子质量测序问题,下一步,实验将探索无中微子双β衰变问题。

2023年,江门中微子实验将完成建设,逐步开始取数。届时,世界将为之瞩目,期待着它带来新的发现。

新京报记者 张璐

编辑 陈静 校对 刘军

关键词:

有机玻璃

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