珠江科学大讲堂聚焦神秘实验装置

广东科技报讯（记者 刘肖勇 实习生 刘瑞敏）8月12日，第115期珠江科学大讲堂在广东科学中心举办。本次讲座由广州市科技局主办，广东科学中心与羊城晚报社联合承办。中国科学院高能物理研究所研究员何苗为大家带来了题为《地下700米捕捉幽灵粒子》的科普讲座，详细讲述了中微子的发现历程、科研人员捕捉这“幽灵粒子”的设备条件以及目前取得的进展。

能量衰变：中微子的产生与发现

100多年以前，科学家研究β衰变的时候发现了一个有趣的现象：某些元素会自发地放出一个电子，即β粒子，它的部分能量总是消失不见，当时的科学家无法解释，把它称作β衰变的能谱之迷。但根据能量守恒定律，任何能量不会凭空产生和消失，那这部分丢失的能量到底去哪儿了呢？著名物理学家、诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·泡利先生在1930年提出了一个假设，认为在β衰变的过程中除了放出一个电子之外，同时还放出了另外一种粒子，这种粒子是不带电的，没有质量或者说质量极小，相互作用非常弱，所以我们看不见这种粒子，也就是“幽灵粒子”。1933年另外一位著名的物理学家，诺贝尔奖得主恩利克·费米先生正式提出了弱相互作用理论，更好地描述β衰变这种现象，就把这种看不见的粒子起名叫“中微子”。此时距离人类第一次看到中微子还有23年。

1956年，美国两位科学家克莱德·考恩和弗雷德里克·莱因斯把一个核反应堆作为中微子源，并利用中微子穿过液体闪烁体会发光的原理在其附近布置了中微子的探测器，以捕捉反应堆中微子穿过探测器时产生的快慢两个信号，大获成功。这是人类第一次看到中微子。

江门：建立实验室的不二之选

中微子源无处不在。何苗说，人体本身就是中微子源，人体有大量的钾40和碳14元素，它们无时无刻不在衰变，每天大约能产生3亿个中微子。此外，核电站里的核反应堆和粒子加速器都是功率很强且人工可控的中微子源，所以很多中微子实验都会利用核反应堆加速器进行探测研究，如江门中微子实验。江门中微子实验是中科院战略先导专项，2013年立项，2015年开始建设，共有18个国家和地区参加，现已有700多名合作者。

既然中微子源随处可见，那为什么这个实验选在江门？何苗表示，这是由实验要求决定的。此实验目的是探测核反应堆的中微子，这就要求核反应堆的数量要足够多，且分布要均匀。前期通过大亚湾实验和广东政府建立了较好合作关系，广东是寻址首选。通过勘测发现，广东有很多核电站、核反应堆，数量足够，但为了测量质量顺序，探测器到不同反应堆的距离必须相等，距离差不能大于300米。在省内各地奔波勘测后，最终选定江门阳江和台山两座核电站之间的开平，在开平的一座山里建立实验室。

挖山抽水，以启功业

有了核反应堆，也找到了探测最佳位置，接下来就是建实验室和探测器。由于实验需要绝对黑暗环境，项目开始进行隧道工作。从2015年初开始，研究人员花了5年深挖到地下700米（山高241米，地平线下453米），成功建立了实验室和探测器。为了方便抵达地下，实验人员挖了两条隧道，一条是斜井隧道，长1000多米，人员物资可以乘缆车下去，另一条是较小的竖井隧道，方便人员进出，出现意外情况时也可以作为逃生出口。

当然，挖掘隧道的过程困难重重，其中最重要的就是地下水的处理。何苗说，藏在岩石缝里的水流量非常大，每小时约有400立方米，这可如何是好？由于山体地势较高，可以通过水库把水排到旁边的水沟、湖泊，但这些水排出后又会慢慢往地下渗透，所以抽水排水工作要不停地做，未来至少持续30年。

隧道开通后，项目人员在2021年底建造完成了地下实验大厅，其中主实验大厅跨度有50多米，是国际上最大的一个地下实验大厅。未来我们会见到国际上最大的、用1000吨的低本底不锈钢支撑起来的600吨有机玻璃单体容器，不锈钢网架上会挂着45000支探测效率最高的光电倍增管，而整个探测器泡在35000吨的超纯水里。

液体闪烁体：捕捉宇宙“微光”

何苗介绍，与70年前的科学家一样，20000吨的有机的液体闪烁体是探测器的主要部分。这种液体闪烁体的主要成分是一种化工原料——线性烷基苯，可从石油中提取出来，常用于生产洗涤剂，如洗衣粉等。项目人员利用现代技术在液体闪烁体中添加了发光物质，中微子进入时它会发生反β衰变，产生可见光。由于这一可见光主要在蓝光波段，人眼便可以感知。中微子本身发出的光非常弱，人眼不能直接看到，这就是为什么我们要在地下建实验，探测器必须在黑暗环境下工作，项目人员也在绝对黑暗的环境探测中微子。

庞大且精密的实验探测器不仅可以探测、确定核反应堆中微子的质量顺序，还可以精准测量中微子振荡参数，甚至研究太阳、地球以及超新星产生的中微子。何苗说，根据科学家的计算和观测，银河系平均每一百年会有三次超新星爆发，上一次爆发是1987年，所以很有希望在未来30年内看到一两次，到时不仅可以探测到大量中微子，还能进一步研究超新星爆发的过程。也正是这个原因，江门中微子实验室的预期寿命是20—30年。

中微子在科学研究中非常热门，离我们的生活也并不遥远。比如，从原理上讲，中微子穿透性特别强，穿透宇宙不是问题，那么它在超长距离通信方面完全可以做到不受干扰，将来有望于拓展到通信领域。当然，科技的应用依赖于新的技术突破甚至新的技术原理，相信在新时代科技人才的奋斗下，终有一日会成为现实。

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