去地下700米測“1個半參數”
江門中微子實驗中心探測器。
江門中微子實驗有機玻璃球安裝。
科研人員檢查有機玻璃安裝情況。
江門中微子實驗。本組圖片由中國科學院高能物理研究所提供
廣東，江門。
踏入通往地下的專用罐籠，金屬閘門緩緩關閉，罐籠開始平穩勻速地下降，機械運轉的輕微嗡嗡聲與逐漸增強的風聲交織。時間彷彿被拉長，直到5分鐘之後電梯停穩，閘門再次緩緩打開時，展現在中青報·中青網記者眼前的，是一個寬敞而明亮的地下空間。
這裡是地下700米深處，江門中微子實驗（JUNO）所在地。作爲主體的探測器，一個巨大的“玻璃球”，正在這裡安裝建造。JUNO的首要科學目標是測量中微子質量順序，同時進行其他多項重大前沿研究。該項目於2013年立項，2015年開工建設隧道和地下實驗硐室，2021年年底，地下硐室交付使用。
如今，JUNO的建設進入收官階段，最內層的有機玻璃球已合攏，外層的不鏽鋼網架和光電倍增管也在有序合攏中，預計今年11月底完成全部安裝任務，並啓動超純水、液體閃爍體（以下簡稱“液閃”）的灌裝。
作爲國家基礎科學研究的重要力量，中國科學院正承擔着一些重大基礎科學研究設施的建設和運行任務。在中國科學院院士、JUNO首席科學家王貽芳看來，大科學裝置對基礎科學研究至關重要。而眼前的JUNO就是具有代表性的大科學裝置，計劃2025年8月正式運行取數，預計運行約30年。
“十幾萬個螺栓，要確保每一個都套進螺母”
要弄明白這個地下700米的玻璃球究竟是做什麼的，首先要明白，什麼是中微子。
王貽芳試着給中青報·中青網記者科普這一概念。據他解釋，構成物質世界最基本的粒子有12種，包括6種夸克，3種帶電輕子和3種中微子，即電子中微子、繆中微子和陶中微子。
作爲一種不帶電的粒子，中微子質量小於電子的百萬分之一，以接近光速的速度運動，只參與非常微弱的弱相互作用，且具有極強的穿透力——絕大部分中微子能夠輕鬆穿過地球或者太陽。一直以來，對中微子的檢測非常困難，在所有基本粒子中，人們對中微子瞭解最少。
1998年日本超級神岡實驗和2001年加拿大SNO實驗，證明了中微子存在振盪現象。2012年，中國大亞灣實驗發現了中微子的第三種振盪模式，也因此獲得了2016年度的基礎物理學突破獎和2016年度的國家自然科學獎一等獎。2015年，江門中微子實驗的建設開啓，以期解決與中微子有關的大量謎團，包括它的質量大小和起源、質量順序、電荷宇稱破壞的大小等。
據介紹，中微子的質量順序，在宇宙演化、太陽及超新星中微子的產生與傳播、中微子振盪等方面有重要影響。中微子是研究天體和地球內部的探針，在檢驗超新星爆發機制、驗證地球物理模型、研究太陽物理等方面，都能發揮關鍵作用。
“要精確測量中微子的質量，目前的方法是通過觀測中微子振盪，來獲取其相對質量。描述中微子振盪需要用到6個參數，其中已經有4個半參數，被科學家成功測量。大亞灣實驗團隊爲這一領域作出了貢獻，測量了其中的1個參數。”王貽芳說：“未來，剩下那1個半參數，就是我們需要努力解決的。”
爲了測量這剩下的1個半參數，江門中微子實驗需要建造一個有效質量爲兩萬噸的低本底、高透明度的球形液體閃爍體探測器，也就是中心探測器“大玻璃球”。這顆玻璃球內徑35.4米，由263塊12釐米厚的烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，有機玻璃淨重約600噸——這是世界上最大的單體有機玻璃球。
玻璃球內部，將會灌滿液閃。它將會浸泡在圓柱形的水池中，池內灌裝有3.5萬噸高純水，水裡純淨到連微生物都沒有。水池兼做水切倫科夫探測器和天然放射性屏蔽體，頂部爲約1000平方米的宇宙線徑跡探測器。
換上防塵服，套上鞋套，穿過風淋室，就進入了高71米的實驗大廳。
大廳內44米深的水池中央，直徑41.1米的不鏽鋼網殼是探測器的主支撐結構。目前，該結構已經被光電倍增管和反射膜包攏，如同一個巨大的、充滿科幻感的立體藝術品。“十幾萬個螺栓，要確保每一個都能套進螺母。”王貽芳說。
每一個安裝到位的螺釘，最終都成爲JUNO成功合攏的關鍵。
作爲重要部件的光電倍增管，像是一個個橢圓形的燈球。兩萬只直徑0.5米的光電倍增管和2.5萬隻直徑不到7.6釐米的光電倍增管，已經陸續“鑲嵌”到直徑41.1米的不鏽鋼網殼和直徑35.4米的大玻璃球之間，只剩下底部最後一部分還未安裝完畢。
“等合攏之後灌了水，我們現在站立的這一片地方，都是被淹沒的區域，人就進不來了。”中國科學院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”）所長曹俊擡起頭，看着正在施工中的中心探測器，“等下次再開啓，大概就是30年以後了”。
讓“玻璃球”在純水裡工作30年
在JUNO的建設過程中，江門中微子實驗團隊遇見的難關一個接一個：設備老化又該怎麼解決？灌水之前需要驅逐氧氣和氡氣，灌氬氣好還是氮氣好？有機玻璃出現裂紋，該怎麼解決……
而團隊面對的其中一個難關是：兩萬噸液閃灌進去，怎麼保證大玻璃球能堅持30年不裂開？泡在水裡的“大燈泡”光電倍增管，又怎麼保證30年不爆裂？
“探測器主體會受到約3000噸的浮力，如果沒有支撐的話，這個結構是不穩定的，有機玻璃球會往上浮。”據曹俊解釋，玻璃球的受力，是通過有機玻璃節點、連接杆和不鏽鋼節點，傳遞到不鏽鋼網殼主結構上。
另外，團隊在連接杆上裝了傳感器，進行長期的受力監測。特殊設計的不鏽鋼結構預埋入有機玻璃中作爲有機玻璃節點，經過反覆設計優化和上百次試驗，最終獲得超高承載能力，並且部分不鏽鋼節點採用碟簧設計方案，有效改善了有機玻璃節點的受力分佈。
團隊還研製出了高強度、高精度、高透光率光電倍增管水下防爆系統，給每一隻“大燈泡”都加裝了保護裝置。該裝置前半部爲半橢球形的極透明有機玻璃罩，採用了漸變厚度的設計，既能承受50米以上的水壓，又能適配光電倍增管最小25毫米的安裝間隙。
經過30多次水下防爆實驗，實驗團隊確信，這套裝置的防爆系統“有效可靠”。
“很多地方都得我們自己琢磨，比如安裝的時間順序、人站在哪裡、到底該怎麼裝。”曹俊對中青報·中青網記者說。
團隊最初的設想是划着船安裝，一邊安裝一邊灌水，水面會在整個安裝過程中，從底部往上漲。最終，這個方案因“無法保持潔淨”而被迫放棄了，原本淨化過的純水會重新生長出細菌，浮在水面上的細菌不但會干擾數據，也會減少設備本身的使用壽命。
“日本的實驗裝置就是划着船安裝的，我們還研究了好久，爲什麼他們的實驗不擔心這件事兒。花了好久才搞明白，我們在南方，他們在北方，他們的年平均氣溫是10℃，細菌生長速度要差好多倍。”曹俊說。
經過種種嘗試，實驗團隊最終確定了先完成安裝、再灌水的方式。所有的努力，都是爲了讓這顆將要漂在純水裡的玻璃球，能夠安安穩穩地堅持工作30年。
“很多東西是我們自己做的，國際上沒有先例。”曹俊說。
高量子效率的新型光電倍增管研製、高性能液體閃爍體研製、超大型高精度探測器設計製造、超大跨度實驗洞室……11年來，江門中微子實驗團隊遇到的一個又一個難關，都被跨了過去。
“歷史上物理學的重大突破，全部推動了文明的發展”
“在工廠採購之初，我們即選用了最爲純淨的原料，然而，即便是這樣的原料，其品質也遠低於我們的預期。因此，我們相當於在這裡自建了一座化工廠規模的純化設備，每小時能夠處理7噸液體原料。”在液閃廳裡，曹俊向記者介紹這裡的純化系統。
這套高潔淨度、高密封、高效率的液閃純化系統，能夠獲得目前國際上衰減長度最高的液閃。
據曹俊解釋，光在液體閃爍體中的傳輸衰減長度，是一個非常重要的參量，直接影響光電倍增管接收的光強，對探測器的能量分辨極爲重要，也是各國科學家在該領域極力設法提高的一個指標。
在大量的調研、實驗基礎上，江門實驗液閃組通過控制液閃原材料的純度，研發高潔淨度、高密封、高效率的純化系統，成功獲得了光傳輸衰減長度大於20米的液閃，是目前世界最好水平。
“爲了滿足我們極高的檢測標準，我們還自行研發了一個直徑7米的儀器，其內部可容納20噸的原料。將原料放入後，經過一天的檢測，即可滿足我們的最低要求。”曹俊說。
另一方面，液閃中的放射性雜質對實驗結果有負面影響，需要通過過濾、蒸餾、水洗及氣吹等方式去除，潔淨度要求等價於20萬噸的液體中灰塵量小於8毫克。這是國際上前所未有的一個大工程。項目組自行設計了相關純化設備及潔淨度檢測方法，完成了4次聯合調試，爲2025年年初的液閃正式灌裝做了充分準備。
在整個項目中，創新之處不止於此。高能所最初提出實驗設想時，達不到使用標準的除了液閃原料，還有光電倍增管。
據瞭解，光電倍增管是粒子物理、核物理實驗及相關工業應用的關鍵通用部件，主要作用是將光信號轉換爲電信號。彼時，高能所面臨的難點是國際上的商業產品技術無法滿足要求，如果等待國外公司研發，則成本太高。
面對這一困境，高能所決定，啓動光電倍增管的預研，並積極推動國產化。項目組先後與國內許多單位進行洽談並開展初步合作，最終於2011年年底，組建了由高能所牽頭的微通道板型大面積光電倍增管研製合作組。
在合作研製過程中，團隊攻克了多個技術難點，最終研製出了關鍵技術指標達到國際領先水平的樣管，擁有完全的自主知識產權。這是一種全新構型及電子放大方式的新型光電倍增管，獲得了歐盟、美國、日本等的專利授權。2016年年底，由北方夜視南京公司研製的全新光電倍增管生產線突破了批量生產的工藝難關，JUNO所需的1.5萬隻光電倍增管按期交付。
目前，探測器的建造已經完成了95%，用王貽芳的話說，“所有的部件都達到了設計指標”。
“在研究過程中，我們也遇到非常多的問題和困難，也有過以爲走不下去或是做不成的時刻。每到這種時候，大家只能開會分析、找原因，嘗試各種可能的途徑，直到最終找到正確的辦法，解決問題。”王貽芳對中青報·中青網記者感慨，“最後的成功，是多方合作的結果”。
王貽芳經常回答的一個問題是，基礎研究到底有什麼用。就像給中微子測量振盪時的參數，對人類到底有什麼用。對此，他的回答是，所有重要的基礎科學理論概念、重大的科學思想突破，最終都對人類的發展起到了巨大的推動作用。
“當下很難判斷某一個具體的研究有用還是沒用，但是歷史上，所有物理學的重大突破，最終全部推動了文明的發展。”王貽芳對中青報·中青網記者說。
本文原載於中國青年報（ 2024年11月18日08 版）