地下700米捕捉“幽灵粒子”！江门中微子实验正式运行

【导语】8月26日，江门中微子实验（JUNO）成功完成2万吨液体闪烁体灌注并正式运行取数，标志着国际上首个下一代大型中微子实验装置正式投入使用。历(lì)经(jīng)十(shí)余(yú)载(zài)筹(chóu)备(bèi)与(yǔ)建(jiàn)设(shè)，JUNO探(tàn)测(cè)器(qì)在(zài)试(shì)运(yùn)行(xíng)期(qī)间(jiān)展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)卓(zhuō)越(yuè)性(xìng)能(néng)，全面(miàn)超(chāo)越(yuè)设(shè)计(jì)预(yù)期(qī)。该(gāi)实(shí)验(yàn)位(wèi)于(yú)广(guǎng)东(dōng)江(jiāng)门(mén)地(de)下(xià)700米(mǐ)处(chù)，旨(zhǐ)在(zài)探(tàn)测(cè)远(yuǎn)处(chù)核(hé)电(diàn)站(zhàn)产(chǎn)生(shēng)的(de)中(zhōng)微(wēi)子(zi)，以(yǐ)高(gāo)精度测量其能谱，探索物质与宇宙本质。中微子作为宇宙中最古老的基本粒子之一，其研究对于理解宇宙形成及物质世界具有重大意义。JUNO的建成运行，不仅是我国大科学工程在粤港澳大湾区的重大布局，也是国际基础科学研究的前沿阵地。

8月26日，江门中微子实验（JUNO）已成功完成2万吨液体闪烁体灌注，并正式运行取数。经过十余年的准备(bèi)和(hé)建(jiàn)设(shè)，JUNO成(chéng)为(wèi)国(guó)际(jì)上(shàng)首(shǒu)个(gè)建(jiàn)成(chéng)的(de)下(xià)一(yī)代(dài)大(dà)型(xíng)中(zhōng)微(wēi)子(zi)实(shí)验(yàn)装(zhuāng)置(zhì)。JUNO在(zài)试(shì)运(yùn)行(xíng)期(qī)间(jiān)首(shǒu)批(pī)获(huò)取(qǔ)的(de)数(shù)据(jù)显(xiǎn)示(shì)，其(qí)探(tàn)测(cè)器(qì)关键性(xìng)能(néng)指(zhǐ)标(biāo)全面(miàn)达(dá)到或超越设计预期。

JUNO合作组发言人王贻芳表示：“完成JUNO探测器灌注并开始运行取数，是一个历史性的里程碑。这是国际上首次运行这样一个超大规模和超高精度的中微子专用大科学装置，将使我们能够回答关于物质和宇宙本质的基本问题。”

江门中微子实验探测器位于广东省江门市附近的地下700米处，可以探测53公里外台山和阳江核电站产生的中(zhōng)微(wēi)子(zi)，并(bìng)以(yǐ)前(qián)所(suǒ)未(wèi)有(yǒu)的(de)精(jīng)度(dù)测(cè)量(liàng)它(tā)们(men)的(de)能(néng)谱(pǔ)。

中(zhōng)微(wēi)子(zi)到(dào)底(dǐ)是(shì)什(shén)么(me)？

在(zài)粒(lì)子(zi)物(wù)理(lǐ)学(xué)中(zhōng)，科(kē)学(xué)家(jiā)一(yī)致(zhì)认(rèn)为(wèi)，构(gòu)成(chéng)物(wù)质(zhì)世(shì)界(jiè)最(zuì)基(jī)本(běn)的(de)粒(lì)子(zi)有(yǒu)12种(zhǒng)，包(bāo)括(kuò)6种(zhǒng)夸(kuā)克(kè)（上(shàng)、下、奇异、粲、底、顶），3种带电轻子（电子、缪子和陶子）和3种中微子（电子中微子、缪中微子和陶中微子）。

中微子不带电，质量非常轻，小于电子的百万分之一，以接近光速运动，不过光在星际传播过程中，由于引力或者星际尘埃会转弯，而中微子不会。中微子几乎不与任何物质发生反应，只参与非常微弱的弱相互作用。

中微子还有一个非常重要的特性，那就是具有极强的穿透力。打个比方，我们的地球直径约为12700多公里，而中微子可以毫无阻挡地穿过地球，不会受海水和地层的阻挡，也无法干扰、拦截和破解，因此中微子的检测非常困难。在所有基本粒子中，人们对中微子了解最少，所以中微子又被称为“幽灵粒子”。

捕捉中微子有何作用？

我们的宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米300个。科学家普遍认为，广泛存在于物质世界中的中微子，就包含了反物质世界的重大信息。

其实，我们地球本身也会发出中微子，而这些中微子的构成与我们现在看不到的结构有关系。

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，携带着非常多重要的神秘信息，研究中微子对于认识宇宙和我们现存的世界物质都具有非常重要的意义，也是国际最前沿的基础科学。

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。

江门中微子实验装置为啥建这么深？

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中微子实验的地方。

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。

江门中微子实验装置什么样？

作为一个复杂而精密的大科学装置，江门中微子实验装置(zhì)建(jiàn)设(shè)要(yào)求(qiú)高(gāo)、难(nán)度(dù)大(dà)，面(miàn)临(lín)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)在(zài)国(guó)际(jì)上(shàng)也(yě)是(shì)少(shǎo)见(jiàn)的(de)，尤(yóu)其(qí)从(cóng)挖(wā)洞(dòng)、设(shè)备(bèi)安(ān)装(zhuāng)，到(dào)调(diào)试(shì)、运(yùn)行(xíng)，全程(chéng)在地下700米处进行。

江门中微子实验中心探测器光电倍增管安装（图源：中国科学院高能物理研究所）

光电倍增管是中微子实验装置最主要的设备部件之一，项目组组建了由中国科学院高能物理研究所牵头的微通道板型大面积光电倍增管研制合作组，研制出技术指标达到国际领先水平的样管，高质量高效率完成生产并投入实验安装。

为确保中心探测器“大玻璃球”在超纯水中稳定工作，实验团队研制了高承载能力的有机玻璃节点，以及高强度、高精度、高透光率光电倍增管水下防爆系统，极大地保障了设备运行安全。团队还自建了一个化工厂规模的高洁净度、高密封、高效率液体闪烁体纯化系统，对液体原料进行纯化处理，能够获得目前国际上衰减长度最高的液体闪烁体，确保探测数据的精准。

据了解，江门中微子实验装置的设计使用寿命可达30年，后期可升级改造为世界最灵敏的无中微子双贝塔衰变实验。这样的升级将探测中微子绝对质量，检验中微子是否为马约拉纳粒子，从而解决粒子物理、天体物理和宇宙学的前沿交叉热点难题，并深刻影响我们对宇宙的理解。

来源：“央视新闻”公众号、“央视科教”公众号、中国科学院理论物理研究所、中国日报网、“北京科协”公众号等

编辑：段大卫