原创 中国地下700米“捕捉幽灵”!全球最大“粒子捕手”在江门正式运行
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2025-08-27 10:40:59
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在万米深的地底,一个直径达35.4米的巨大有机玻璃球内,2万吨璀璨的液体闪烁体正蓄势待发,肩负着捕捉宇宙深处那“幽灵粒子”——中微子的神圣使命。

2025年8月26日,一个载入史册的日子,位于广东江门地下700米的深邃地层之中,由中国科学家倾注十年心血打造的江门中微子实验(JUNO)大科学装置,终于正式启动了数据采集的引擎。历经十余载的精心筹划与严谨建设,这一全球首个投入运行的、规模空前且精度极高的中微子专用大科学装置,已然张开了它无形的巨网,开始搜寻那些在宇宙间穿梭的神秘来客——中微子。

中微子,作为构成物质世界的最基本粒子之一,宛如宇宙中的“隐形精灵”,其存在至关重要却又难以捉摸。它们质量轻盈得难以想象,甚至不及电子质量的百万分之一,并且以接近光速的惊人速度在宇宙中疾驰。它们与物质的互动微乎其微,仅参与一种非常微弱的相互作用,这使得它们能够穿透几乎一切物质,包括我们自己的身体,且在瞬间便有亿万个中微子悄无声息地穿过,而我们却浑然不觉。正是这种近乎“隐形”的特性,为它们赢得了“幽灵粒子”的别称。

江门中微子实验装置的选址,亦是一门精妙的科学艺术。它坐落于广东省江门市附近,深入地下700米,如此极致的深度是为了最大限度地利用厚重岩层的天然屏障,有效屏蔽来自宇宙空间的干扰粒子流(宇宙线),从而排除可能干扰实验结果的虚假信号。

装置的核心,是一个直径达35.4米的巨型有机玻璃球,它静静地安置在地下实验大厅44米深的水池正中央。这个庞大的有机玻璃球,如同一个精心打造的宇宙观察站,由一个直径41.1米、坚固无比的不锈钢网壳结构作为主体支撑。这个精密的网壳,不仅承载着35.4米的有机玻璃球,更承担着2万吨液体闪烁体、两万只20英寸和两万五千只3英寸的精密光电倍增管等核心探测元件的重量。

要捕捉到中微子的踪迹,关键在于那些被科学家们誉为“黄金瞳”的光电倍增管。它们拥有一种惊人的能力,能够捕捉到中微子撞击闪烁体时所释放出的那一丝极其微弱的荧光,其亮度之低,仅相当于我们手机屏幕亮度的百亿分之一。

光电倍增管内部的金属薄膜,其厚度仅有几十纳米,这一曾被国外严密封锁的核心技术,如今在中国科学家手中得到了突破。经过数千万次的反复试验与攻关,中国科学家们成功打破了技术垄断,不仅掌握了这项关键技术,还将单个光电倍增管的制造成本降低了一半以上。江门中微子实验总共使用了多达4.5万只不同尺寸的光电倍增管,这项核心技术的突破,为整个项目节省了数亿元人民币的开支,展现了中国在尖端科技领域的实力。

江门中微子实验的构想,最早于2008年由中国科学院高能物理研究所提出。随后,在2013年,该项目获得了中国科学院战略性先导科技专项的有力支持,同年,广东省人民政府也给予了大力支持,为项目的推进奠定了坚实的基础。

2015年,项目的关键阶段——隧道和地下实验室的建设正式启动。经过多年的努力,至2021年12月,实验室建设宣告竣工,随后,探测器开始在地下实验室的严密环境中进行安装。

时间进入2024年12月,探测器主体建设圆满完成,随之而来的是超纯水与液体闪烁体的灌注工作。项目团队以惊人的效率,在短短45天内完成了超过6万吨超纯水的灌注,并且将有机玻璃球内外液位的差值精确控制在厘米级别,液体的流量偏差也控制在0.5%以内,这充分体现了工程的精密度和团队的专业素养。

紧接着,项目团队又花费了半年时间,进行了精细入微的操作,将2万吨液体闪烁体以毫厘不差的精度注入有机玻璃球内,并同步完成了对原有纯水的置换。

江门中微子实验的首要科学目标,是解决粒子物理学领域未来十年内面临的最重要问题之一:确定中微子质量的顺序,即究竟第三种中微子是否比第二种更重。这一问题的解答,将为我们理解物质世界的奥秘提供关键线索。

与国际上同类型的实验相比,江门中微子实验在测定中微子质量顺序时,能够有效规避地球物质效应以及其他未知的、可能影响测量的中微子振荡参数。此外,该实验还将显著提升六个中微子振荡参数中三个的关键参数的测量精度,为粒子物理的标准模型提供更精确的检验。

不仅如此,该实验还将深入研究来自太阳、超新星爆发、地球大气以及地球本身的中微子,开展一系列前沿性的探索,为我们打开一扇全新的窗口,去窥探和理解未知物理现象。

江门中微子实验是由中国科学院高能物理研究所主导的一项规模宏大的国际合作项目,汇聚了来自全球17个国家和地区的74个科研机构的近700名顶尖科学家。

江门中微子合作组发言人王贻芳教授在接受采访时激动地表示:“成功完成江门中微子探测器的灌注并启动数据采集,是具有里程碑意义的突破。这标志着国际上首次拥有并运行这样一个规模巨大、精度极高、专门用于中微子研究的大科学装置。”

该装置的设计使用寿命长达30年,并且在未来具备进一步升级改造的潜力。届时,它将有望演变为全球最灵敏的无中微子双贝塔衰变实验装置,用于探测中微子绝对质量,并检验中微子是否为马约拉纳粒子。

一旦升级完成,江门中微子实验装置将能够精确探测中微子真实的绝对质量,并对其是否为马约拉纳粒子进行严谨的检验,从而最终解决粒子物理学中一个长期悬而未决的重大谜题。

在这个位于地底700米的科学殿堂中,来自17个国家和地区的近700位杰出研究人员,将继续他们对宇宙奥秘的不懈探索,共同书写人类科学史上的新篇章。"

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