去地下700米测“1个半参数”
江门中微子实验中心探测器。
江门中微子实验有机玻璃球安装。
科研人员检查有机玻璃安装情况。
广东，江门。
踏入通往地下的专用罐笼，金属闸门缓缓关闭，罐笼开始平稳匀速地下降，机械运转的轻微嗡嗡声与逐渐增强的风声交织。时间仿佛被拉长，直到5分钟之后电梯停稳，闸门再次缓缓打开时，展现在中青报·中青网记者眼前的，是一个宽敞而明亮的地下空间。
这里是地下700米深处，江门中微子实验（JUNO）所在地。作为主体的探测器，一个巨大的“玻璃球”，正在这里安装建造。JUNO的首要科学目标是测量中微子质量顺序，同时进行其他多项重大前沿研究。该项目于2013年立项，2015年开工建设隧道和地下实验硐室，2021年年底，地下硐室交付使用。
如今，JUNO的建设进入收官阶段，最内层的有机玻璃球已合拢，外层的不锈钢网架和光电倍增管也在有序合拢中，预计今年11月底完成全部安装任务，并启动超纯水、液体闪烁体（以下简称“液闪”）的灌装。
作为国家基础科学研究的重要力量，中国科学院正承担着一些重大基础科学研究设施的建设和运行任务。在中国科学院院士、JUNO首席科学家王贻芳看来，大科学装置对基础科学研究至关重要。而眼前的JUNO就是具有代表性的大科学装置，计划2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。
“十几万个螺栓，要确保每一个都套进螺母”
要弄明白这个地下700米的玻璃球究竟是做什么的，首先要明白，什么是中微子。
王贻芳试着给中青报·中青网记者科普这一概念。据他解释，构成物质世界最基本的粒子有12种，包括6种夸克，3种带电轻子和3种中微子，即电子中微子、缪中微子和陶中微子。
作为一种不带电的粒子，中微子质量小于电子的百万分之一，以接近光速的速度运动，只参与非常微弱的弱相互作用，且具有极强的穿透力——绝大部分中微子能够轻松穿过地球或者太阳。一直以来，对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。
1998年日本超级神冈实验和2001年加拿大SNO实验，证明了中微子存在振荡现象。2012年，中国大亚湾实验发现了中微子的第三种振荡模式，也因此获得了2016年度的基础物理学突破奖和2016年度的国家自然科学奖一等奖。2015年，江门中微子实验的建设开启，以期解决与中微子有关的大量谜团，包括它的质量大小和起源、质量顺序、电荷宇称破坏的大小等。
据介绍，中微子的质量顺序，在宇宙演化、太阳及超新星中微子的产生与传播、中微子振荡等方面有重要影响。中微子是研究天体和地球内部的探针，在检验超新星爆发机制、验证地球物理模型、研究太阳物理等方面，都能发挥关键作用。
“要精确测量中微子的质量，目前的方法是通过观测中微子振荡，来获取其相对质量。描述中微子振荡需要用到6个参数，其中已经有4个半参数，被科学家成功测量。大亚湾实验团队为这一领域作出了贡献，测量了其中的1个参数。”王贻芳说：“未来，剩下那1个半参数，就是我们需要努力解决的。”
为了测量这剩下的1个半参数，江门中微子实验需要建造一个有效质量为两万吨的低本底、高透明度的球形液体闪烁体探测器，也就是中心探测器“大玻璃球”。这颗玻璃球内径35.4米，由263块12厘米厚的烘弯球面板和上下烟囱粘接而成，有机玻璃净重约600吨——这是世界上最大的单体有机玻璃球。
玻璃球内部，将会灌满液闪。它将会浸泡在圆柱形的水池中，池内灌装有3.5万吨高纯水，水里纯净到连微生物都没有。水池兼做水切伦科夫探测器和天然放射性屏蔽体，顶部为约1000平方米的宇宙线径迹探测器。
换上防尘服，套上鞋套，穿过风淋室，就进入了高71米的实验大厅。
大厅内44米深的水池中央，直径41.1米的不锈钢网壳是探测器的主支撑结构。目前，该结构已经被光电倍增管和反射膜包拢，如同一个巨大的、充满科幻感的立体艺术品。“十几万个螺栓，要确保每一个都能套进螺母。”王贻芳说。
每一个安装到位的螺钉，最终都成为JUNO成功合拢的关键。
作为重要部件的光电倍增管，像是一个个椭圆形的灯球。两万只直径0.5米的光电倍增管和2.5万只直径不到7.6厘米的光电倍增管，已经陆续“镶嵌”到直径41.1米的不锈钢网壳和直径35.4米的大玻璃球之间，只剩下底部最后一部分还未安装完毕。
“等合拢之后灌了水，我们现在站立的这一片地方，都是被淹没的区域，人就进不来了。”中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”）所长曹俊抬起头，看着正在施工中的中心探测器，“等下次再开启，大概就是30年以后了”。
让“玻璃球”在纯水里工作30年
在JUNO的建设过程中，江门中微子实验团队遇见的难关一个接一个：设备老化又该怎么解决？灌水之前需要驱逐氧气和氡气，灌氩气好还是氮气好？有机玻璃出现裂纹，该怎么解决……
而团队面对的其中一个难关是：两万吨液闪灌进去，怎么保证大玻璃球能坚持30年不裂开？泡在水里的“大灯泡”光电倍增管，又怎么保证30年不爆裂？
“探测器主体会受到约3000吨的浮力，如果没有支撑的话，这个结构是不稳定的，有机玻璃球会往上浮。”据曹俊解释，玻璃球的受力，是通过有机玻璃节点、连接杆和不锈钢节点，传递到不锈钢网壳主结构上。
另外，团队在连接杆上装了传感器，进行长期的受力监测。特殊设计的不锈钢结构预埋入有机玻璃中作为有机玻璃节点，经过反复设计优化和上百次试验，最终获得超高承载能力，并且部分不锈钢节点采用碟簧设计方案，有效改善了有机玻璃节点的受力分布。
团队还研制出了高强度、高精度、高透光率光电倍增管水下防爆系统，给每一只“大灯泡”都加装了保护装置。该装置前半部为半椭球形的极透明有机玻璃罩，采用了渐变厚度的设计，既能承受50米以上的水压，又能适配光电倍增管最小25毫米的安装间隙。
经过30多次水下防爆实验，实验团队确信，这套装置的防爆系统“有效可靠”。
“很多地方都得我们自己琢磨，比如安装的时间顺序、人站在哪里、到底该怎么装。”曹俊对中青报·中青网记者说。
团队最初的设想是划着船安装，一边安装一边灌水，水面会在整个安装过程中，从底部往上涨。最终，这个方案因“无法保持洁净”而被迫放弃了，原本净化过的纯水会重新生长出细菌，浮在水面上的细菌不但会干扰数据，也会减少设备本身的使用寿命。
“日本的实验装置就是划着船安装的，我们还研究了好久，为什么他们的实验不担心这件事儿。花了好久才搞明白，我们在南方，他们在北方，他们的年平均气温是10℃，细菌生长速度要差好多倍。”曹俊说。
经过种种尝试，实验团队最终确定了先完成安装、再灌水的方式。所有的努力，都是为了让这颗将要漂在纯水里的玻璃球，能够安安稳稳地坚持工作30年。
“很多东西是我们自己做的，国际上没有先例。”曹俊说。
高量子效率的新型光电倍增管研制、高性能液体闪烁体研制、超大型高精度探测器设计制造、超大跨度实验洞室……11年来，江门中微子实验团队遇到的一个又一个难关，都被跨了过去。
“历史上物理学的重大突破，全部推动了文明的发展”
“在工厂采购之初，我们即选用了最为纯净的原料，然而，即便是这样的原料，其品质也远低于我们的预期。因此，我们相当于在这里自建了一座化工厂规模的纯化设备，每小时能够处理7吨液体原料。”在液闪厅里，曹俊向记者介绍这里的纯化系统。
这套高洁净度、高密封、高效率的液闪纯化系统，能够获得目前国际上衰减长度最高的液闪。
据曹俊解释，光在液体闪烁体中的传输衰减长度，是一个非常重要的参量，直接影响光电倍增管接收的光强，对探测器的能量分辨极为重要，也是各国科学家在该领域极力设法提高的一个指标。
在大量的调研、实验基础上，江门实验液闪组通过控制液闪原材料的纯度，研发高洁净度、高密封、高效率的纯化系统，成功获得了光传输衰减长度大于20米的液闪，是目前世界最好水平。
“为了满足我们极高的检测标准，我们还自行研发了一个直径7米的仪器，其内部可容纳20吨的原料。将原料放入后，经过一天的检测，即可满足我们的最低要求。”曹俊说。
另一方面，液闪中的放射性杂质对实验结果有负面影响，需要通过过滤、蒸馏、水洗及气吹等方式去除，洁净度要求等价于20万吨的液体中灰尘量小于8毫克。这是国际上前所未有的一个大工程。项目组自行设计了相关纯化设备及洁净度检测方法，完成了4次联合调试，为2025年年初的液闪正式灌装做了充分准备。
在整个项目中，创新之处不止于此。高能所最初提出实验设想时，达不到使用标准的除了液闪原料，还有光电倍增管。
据了解，光电倍增管是粒子物理、核物理实验及相关工业应用的关键通用部件，主要作用是将光信号转换为电信号。彼时，高能所面临的难点是国际上的商业产品技术无法满足要求，如果等待国外公司研发，则成本太高。
面对这一困境，高能所决定，启动光电倍增管的预研，并积极推动国产化。项目组先后与国内许多单位进行洽谈并开展初步合作，最终于2011年年底，组建了由高能所牵头的微通道板型大面积光电倍增管研制合作组。
在合作研制过程中，团队攻克了多个技术难点，最终研制出了关键技术指标达到国际领先水平的样管，拥有完全的自主知识产权。这是一种全新构型及电子放大方式的新型光电倍增管，获得了欧盟、美国、日本等的专利授权。2016年年底，由北方夜视南京公司研制的全新光电倍增管生产线突破了批量生产的工艺难关，JUNO所需的1.5万只光电倍增管按期交付。
目前，探测器的建造已经完成了95%，用王贻芳的话说，“所有的部件都达到了设计指标”。
“在研究过程中，我们也遇到非常多的问题和困难，也有过以为走不下去或是做不成的时刻。每到这种时候，大家只能开会分析、找原因，尝试各种可能的途径，直到最终找到正确的办法，解决问题。”王贻芳对中青报·中青网记者感慨，“最后的成功，是多方合作的结果”。
王贻芳经常回答的一个问题是，基础研究到底有什么用。就像给中微子测量振荡时的参数，对人类到底有什么用。对此，他的回答是，所有重要的基础科学理论概念、重大的科学思想突破，最终都对人类的发展起到了巨大的推动作用。
“当下很难判断某一个具体的研究有用还是没用，但是历史上，所有物理学的重大突破，最终全部推动了文明的发展。”王贻芳对中青报·中青网记者说。
中青报·中青网记者张渺来源：中国青年报
2024年11月18日08版