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在地下700米 捕捉“幽灵粒子”

文/李钢 中微子,被认为是宇宙中最神秘的粒子之一,也被称为“…

文/李钢

中微子,被认为是宇宙中最神秘的粒子之一,也被称为“幽灵粒子”。对于人类来说,中微子是探索宇宙过去和未来的关键线索。虽然人类已经发现了它的存在,但是它的性质和“行为”还有许多未知之处。随着江门中微子实验室这一大科学装置的建设,我国在中微子研究方面将实现跨越式发展。

近日,由广州市科学技术局主办,广东科学中心和羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂115讲,邀请到了中国科学院高能物理研究所研究员何苗,为大家带来“地下700米捕捉幽灵粒子”的科普讲座。何苗目前担任江门中微子实验小光电倍增管系统负责人,领导探测器研制和实验建设。

中微子:无处不在却很难看到

中微子是基本粒子之一,分为电子中微子、μ中微子、τ中微子三种。100多年前,科学家在研究β衰变现象时发现了中微子的身影。

什么是β衰变?何苗说,某些元素会自发地释放出一个电子,也被称为β粒子。但是当科学家们在观测这个电子的能量时却发现,能量总是莫名消失了一部分。

着名物理学家、诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·泡利在1930年提出假设,认为除了β粒子之外,这些元素同时还释放出了另外一种不带电、近乎无质量的粒子。另外一名着名物理学家、诺贝尔奖得主恩利克·费米将其命名为中微子。

如今,人们已经知道中微子其实无处不在。太阳每天都在产生无数中微子,地球内部的放射性元素在衰变的过程中也会产生中微子。

之所以被称为“幽灵粒子”,是因为中微子很难被探测到。在很长的一段时间里,科学家们尝试了很多办法来捕捉中微子。1956年,美国科学家们利用核反应堆作为中微子源,使用一个类似三明治结构的探测器。当中微子穿过其中的液体闪烁体时会发光,产生一快一慢两个信号。捕捉到这两个信号就可以把中微子信号和环境中其他假信号区分开来,人类第一次“看到”中微子——电子中微子。随后,另外两种中微子(μ中微子、τ中微子)也被发现。

科学家还发现,看到的中微子个数总数小于物理理论计算出的结果,这一现象被称为中微子消失之谜。

这一谜题在进一步的实验探究之中陆续得到了解释。在日本开展的实验中发现,中微子其实并没有变少,而是“变身”了——变成了另外一种类型。加拿大开展的实验则发现,虽然太阳中微子的原初数量减少了,但是三种中微子的数量之和并没有变少,证明了中微子并没有真正消失,而是发生了类型转换。而在这一“变身”过程中,还会出现中微子振荡现象。这是迄今为止唯一一个超出粒子物理标准模型的实验现象。

还有一个基本的物理问题有待解决——中微子的质量顺序,也就是给三种中微子称重。过去的实验已经验证了电子中微子和μ中微子的重量差别,但是τ中微子和前两种谁轻谁重,目前还不知道,各个国家都将陆续开展相关的实验。

地下700米:直径40米、13层楼高的探测器

何苗介绍说,江门中微子实验室在2015年开始建设,要在地下700米建造一个直径40米、13层楼高的探测器。之所以选址在江门,是因为这里刚好在阳江、台山两座核电站50千米至60千米的距离范围内。在地下700米深处进行建设,可以大幅度减少由宇宙射线产生的类似中微子信号的本地信号对于探测的干扰。700米深度的岩石,可以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。

江门中微子实验室中有一个地下实验大厅,主实验大厅跨度有50多米,是国际上最大的地下实验大厅。探测器会放置在该试验大厅的圆柱形的大水池之中。水池有44米宽、44米高,水池中间位置将有一个两万吨的液体闪烁体,放置在由不锈钢结构构成的网架上,挂上45000支探测效率最高的光电倍增管。整个探测器都将浸泡在35000吨超纯水中。

何苗说,液体闪烁体是一种叫作线性烷基苯的化工原料,在其中添加发光物质后,当中微子进入并产生β衰变时会产生可见光。建成后,整个实验大厅都将处于绝对黑暗环境。

液体闪烁体要求保持超高的透明度和超低的杂质含量。两万吨的液体闪烁体中的灰尘不能高于0.01克。为了保证超高纯度,科学家们专门构建了4套纯化系统,用不同的方法把液体闪烁体中的杂质、不透明物质和其他气体去除掉。

其中,不锈钢网架结构是在地下用12万套高强度螺栓拼起来,在40米高的结构要实现毫米级的精度,其难度可想而知,建设者们整整花了半年的时间进行拼接。同时,为了保证所使用的不锈钢材料的纯度,他们还使用专门的炉子来炼钢。

搭建完网架结构后,就要搭建具有高透明度的、世界上最大的有机玻璃球。玻璃球总共有600吨重,它的板材之间的粘连使用的是有机玻璃自身的分子材料,也就是所说的“本体聚合”方法,其黏接能力超强。液体闪烁体发光后,其强度很弱,肉眼是无法看见的,需要特殊的器件——光电倍增器来进行探测。要使用到两种尺寸的光电倍增器,通过光电效应去捕捉微弱的发光反应。

探测器建好之后,预计从明年春天开始就会往里面球内灌装2万吨的液体闪烁体,球外灌装35000吨超纯水,最后顶部用黑色遮光布遮挡,保证环境处于绝对黑暗之中。

接下来,我们就可以期待中微子那激动人心的闪耀。

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