中微子是在物理學(xué)的浩瀚篇章中的一個(gè)神秘角色，它幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，帶電粒子、電磁場對它形同虛設(shè)，因而得名宇宙幽靈。每天有無數(shù)的中微子從太陽和遙遠(yuǎn)的星系中射出，以光速穿過地球，穿過我們的身體，卻未引發(fā)任何痕跡。中微子的提出可追溯至20世紀(jì)30年代。當(dāng)時(shí)科學(xué)家在研究β衰變時(shí)，發(fā)現(xiàn)衰變電子的能量呈連續(xù)分布而非固定值，這一現(xiàn)象違背了能量守恒定律，面對這種局面，泡利在1930年提出了一個(gè)大膽假設(shè)：β衰變中存在一種未被探測到的中性粒子，它攜帶了部分能量，從而使能量守恒得以維持。這一假設(shè)在當(dāng)時(shí)缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)的情況下穩(wěn)定了能量守恒原則。

費(fèi)米在進(jìn)一步研究中將這種粒子命名為中微子，并提出了其獨(dú)特的弱相互作用特性。直到1956年，雷恩斯和考恩利用核反應(yīng)堆的反中微子首次成功探測到了中微子，為這一假說提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這項(xiàng)研究也為雷恩斯贏得了1995年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。那么究竟什么是中微子，它又具備怎樣的特性，我們該如何探測它、研究它呢？為了解開這些謎團(tuán)，世界各各國都陸續(xù)開展中微子研究。

江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）便是我國科學(xué)界的一項(xiàng)重要的大科學(xué)裝置，由中國科學(xué)院與廣東省人民政府聯(lián)合建設(shè)。江門中微子實(shí)驗(yàn)始于我國中微子研究逐步積累的科學(xué)成就。從2003年大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的奠基，到2012年成功探測中微子振蕩，為了解答更深層次的科學(xué)問題，JUNO瞄準(zhǔn)了中微子領(lǐng)域的最前沿問題：測定中微子質(zhì)量順序。江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2013年立項(xiàng)，2015年正式開工。JUNO實(shí)驗(yàn)將與日本的超級神岡實(shí)驗(yàn)（Hyper-K）和美國的深部地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）并駕齊驅(qū)，共同組成國際中微子研究的三極。

圖 江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置俯瞰圖

JUNO的核心任務(wù)是確定中微子的質(zhì)量順序。中微子質(zhì)量順序是指三種中微子（電子、μ子、τ子）之間質(zhì)量的相對關(guān)系，而這一順序是當(dāng)今粒子物理和宇宙學(xué)中的關(guān)鍵未解之謎。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，JUNO利用反應(yīng)堆中微子的振蕩現(xiàn)象，通過對能譜的精準(zhǔn)分析來解答這一基礎(chǔ)科學(xué)問題。振蕩現(xiàn)象的本質(zhì)是中微子在不同類型之間的相互轉(zhuǎn)換，其振蕩的模式和強(qiáng)度與中微子質(zhì)量之間的差異密切相關(guān)。分析這些振蕩模式也就可以推斷出不同類型中微子之間的質(zhì)量關(guān)系。

JUNO的主要中微子來源是距離探測器約53公里的陽江和臺山核電站，因?yàn)樵谶@個(gè)距離上可以使中微子在傳播過程中達(dá)到一個(gè)振蕩幾率極高的狀態(tài)，形成明顯的振蕩信號。不同能量的中微子在探測器中的分布情況成為解讀的關(guān)鍵工具，能譜圖表明了中微子在不同能量下的分布情況，也記錄了中微子在從反應(yīng)堆到探測器的傳播過程中受到質(zhì)量順序影響而發(fā)生的振蕩效應(yīng)。不同類型的中微子因質(zhì)量不同而導(dǎo)致振蕩模式的微妙變化，表現(xiàn)出能譜的畸變特征，它們是中微子在傳播過程中發(fā)生振蕩的直接證據(jù)。

江門探測器的核心是一個(gè)龐大的球形探測裝置，直徑達(dá)到41.1米，坐落在地下700米深的巖石掩護(hù)中。其主體是一個(gè)由厚達(dá)12厘米的高強(qiáng)度有機(jī)玻璃制成的球體，內(nèi)部盛裝了2萬噸液體閃爍體，這種液體是中微子探測的關(guān)鍵材料，它由線性烷基苯（LAB）作為溶劑，配合少量發(fā)光劑（PPO）和波長位移劑（bis-MSB）混合而成。這種液體具有高透明度和低放射性背景，能夠?qū)⒅形⒆优c液體中的原子核發(fā)生相互作用時(shí)產(chǎn)生的閃光信號傳遞至探測器的光電倍增管。

為了確保探測精度，液體閃爍體在設(shè)計(jì)上與此前的大亞灣實(shí)驗(yàn)有所不同。江門探測器的液閃并未摻雜釓，這種選擇可以進(jìn)一步降低背景噪聲。而且液體閃爍體在注入探測器前還需經(jīng)過多道純化工序，包括使用氧化鋁和蒸餾塔去除溶劑中的放射性雜質(zhì)，還有通過水萃取和氣體剝離技術(shù)進(jìn)一步去除放射性氣體。最終使液體的光衰減長度超過20米。

接下來為了精準(zhǔn)捕捉這些閃光信號，探測器內(nèi)部布滿了光電倍增管（PMT），總數(shù)量超過4萬只，包括大型20英寸和小型3英寸兩種規(guī)格。這些PMT的任務(wù)是將閃光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再傳輸給后端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。大型PMT具有更廣的光子捕獲范圍，能夠提高光信號的整體捕獲率；而小型PMT則提供了更高的空間分辨率和探測精度。這樣的雙管齊下的設(shè)計(jì)使探測器的光覆蓋率和光子探測效率都達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

圖 江門中微子中心探測器

而僅如此還不足夠，為了再進(jìn)一步提升光信號的收集效率，探測器在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上安裝了Tyvek反射膜，這種材料可以將散射光反射回液體閃爍體，又增加被PMT捕捉的光子數(shù)量。這一設(shè)計(jì)使探測器的整體光信號產(chǎn)額相比傳統(tǒng)系統(tǒng)提升了2.5倍，能量分辨率也達(dá)到3%的優(yōu)異水平。這種高度集成的探測系統(tǒng)，為中微子研究提供了極其敏感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更加利于捕獲到極其稀有的中微子信號以破解中微子質(zhì)量順序等問題。

中心探測器被浸泡在一個(gè)裝有3.5萬噸超純水的圓柱形水池中。水池不僅起到支撐和保護(hù)的作用，還通過阻擋周圍巖石的天然放射性，降低了環(huán)境背景噪聲。此外，水池本身還充當(dāng)水契倫科夫探測器。通過捕獲高速粒子在水中產(chǎn)生的契倫科夫光，可以識別并過濾掉與中微子探測無關(guān)的宇宙線信號。

水池上方的頂部徑跡探測器（TT）進(jìn)一步增強(qiáng)了對宇宙線的識別能力。這一部分由多個(gè)塑料閃爍體模塊組成，可以精確測量宇宙線的軌跡。通過這些系統(tǒng)的聯(lián)合工作，江門探測器能夠?qū)⒂钪婢€和其他背景信號的干擾降至最低，從而提高中微子探測的靈敏度。

這個(gè)中心探測器被浸泡在一個(gè)裝有3.5萬噸超純水的巨大圓柱形水池中。水池不僅在支撐與保護(hù)，還屏蔽了周圍巖石中的氡氣等天然放射性物質(zhì)，降低干擾中微子探測的背景噪聲。為了確保探測器的穩(wěn)定性，水池的環(huán)境控制也極為嚴(yán)格。由于探測器內(nèi)的有機(jī)玻璃和不銹鋼材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，任何溫度波動(dòng)都可能影響裝置的穩(wěn)定性。為此，水池內(nèi)的水溫被精確控制在21°C，波動(dòng)不超過1°C。水從水池底部和頂部中心處注入，從中心探測器赤道位置流出，同時(shí)控制流速和減少湍流，成為了一個(gè)可以確保水溫分布的均勻性和穩(wěn)定性水循環(huán)系統(tǒng)。

水池內(nèi)壁還覆蓋了一層5毫米厚的高密度聚乙烯（HDPE）膜，用來阻擋來自巖石表面的氡氣和高氡濃度地下水的滲透。水池頂部使用密封的黑色橡膠布，并在水面與頂蓋之間充入高純氮?dú)猓纬烧龎涵h(huán)境，用以隔絕空氣中的氡氣。

圖 江門探測器系統(tǒng)示意圖

目前，江門探測器的主體結(jié)構(gòu)已基本安裝完成，整體安裝進(jìn)度已達(dá)90%，包括液體閃爍體的純化設(shè)備和電子學(xué)設(shè)備也在同步調(diào)試中。預(yù)計(jì)到2025年，江門中微子實(shí)驗(yàn)將正式投入運(yùn)行。

通過研究中微子，科學(xué)家們有望推動(dòng)宇宙大爆炸、暗物質(zhì)以及反物質(zhì)消失等物理探索。江門中微子實(shí)驗(yàn)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，推動(dòng)中微子研究進(jìn)入全新的高度，為我國乃至全世界解鎖宇宙的秘密提供重要支持。

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來源: 星空計(jì)劃

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