中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜

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  JUNO探测器示意图。(中科院高能所供图)

  新华社北京12月26日电(记者全晓书 王攀 荆淮侨)在有有一个多12层楼高的玻璃球里注入透明乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体,中国科学家打算造有有一个多全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“迅疾粒子”——中微子,从而找到通向物理新世界的大门。

  我们都都都都 将把有有一个多直径达35.4米的有机玻璃球安放到广东省江门市西南部的打石山中。施工人员怎么让在700多米深的花岗岩下方挖出来有有一个多空洞,作为未来的实验大厅。

  “我们都都都都 一个劲在不停地抽排地下水。现在,水位已明显降低,相信变慢就能排干净。”江门中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳近期介绍项目进展时说。

  江门中微子实验(JUNO)于2015年1月开工建设。若顺利,明年年中,施工人员将开使在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

  这是中国最冗杂的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际例如设备相比,它的规模要大20倍,精度提高近一倍。

  JUNO规划图。(中科院高能所供图)

  “迅疾粒子”

  中微子是组成自然界的三种基本粒子,在宇宙中广泛指在。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,例如太阳发光、超新星爆发、宇宙射线、核反应堆发电等。

  中微子也是目前最神秘的粒子之一。它们不带电,质量极小,几乎不与某些物质指在相互作用。它们如迅疾一般穿透地球,来无影去无踪,每秒钟也有3亿亿个来自太阳的中微子穿过各自 的身体。

  正怎么让中微子过后像光子、电子一样,与某些粒子相互作用,它们所携带的关于恒星、黑洞乃至整个宇宙的“核心秘密”,吸引着好奇的人类。

  它们还时需直接穿过剧烈“燃烧”的恒星内部管理而不被吞噬,成为人类了解恒星中心核反应过程的媒介;它们在宇宙诞生之初就已指在,且不像光子在宇宙大爆炸315万年完后 才开使和某些粒子相互作用开使传播,很久也是研究宇宙最早期历史的载体。

  上世纪50年代,科学家首次观测到中微子的指在,很久又发现中微子确实有三种,分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞行时还时需“一人分饰三角”,在三种类别之间相互转化,这也被称作中微子振荡。

  在某些 领域,中国是很久者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子实验室发表声明发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的有有一个多重要里程碑。

  怎么让,中微子仍有太多未解之谜。江门中微子实验副发言人、中科院高能物理所研究员曹俊指出,中微子好难探测,很久实验研究进展有限,很久怎么让捕捉到的中微子信号太多,数据太多。

  JUNO地理位置。(中科院高能所供图)

  超级玻璃球

  探测中微子,三种妙招是通过乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体闪烁体探测器来捕捉它们产生的信号。

  科研人员在有机玻璃球里注入透明的特制乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体——乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体闪烁体(简称“液闪”),当中微子穿过球体时,会有一定的几率和乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体里密布的氢核指在反应。每一次反应产生有有一个多正电子和有有一个多中子,正电子随即湮灭释放出有有一个多快信号,中子则在反复碰撞后被某些氢核吸收并释放出有有一个多慢信号。一前一后两次闪烁,就透露了中微子的行踪。

  为了提高探测灵敏度,JUNO的选址经过精心测算。实验室建在地下,以屏蔽宇宙射线的干扰;距离阳江核电站和台山核电站也有53公里,还时需一起利用两者释放的海量中微子,并画出更精细的中微子能谱图。

  怎么让,较长的距离也会造成中微子流的“稀释”,就好比放烟花,火花四散,越往外密度越低。JUNO比目前世界上最大的中微子液闪探测器——日本的KamLAND探测器时需大20倍,后者注入了50吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,不还能否 尽怎么让多地“俘获”中微子。

  “探测器越大,捕捉到的信号就太多,数据量就越大,就越能想看 别人所看不还能否 的。”曹俊说。

  根据设计方案,JUNO会由265块有机玻璃板现场组装而成,并被钢架固定在有有一个多装有约4万吨纯净水的大池中。

  没人 大的玻璃球,给工程建设带来了挑战。江门中微子实验项目组先后请来几块知名力学团队帮忙设计,并搭建了专门实验室,测试有机玻璃的力学性能和老化清况 ,还造了有有一个多直径3米的小球来验证计算和测试算是准确。

  “经过实验证明无误后,我们都都都都 才把这套算法用来设计大的探测器。我们都都都都 要确保它能运行50年。”曹俊说。

  为确保12层楼高大球的设计安全无误,科研人员先发明直径3米的小球,进行模拟实验。图为小球模型吊装。(中科院高能所供图)

  “捕获”微光

  仅仅把探测器造很大,还匮乏。中微子引发的闪烁非常微弱,肉眼无法想看 。科研人员时需调配出极其透明的液闪,并在玻璃球外安装数万个光电倍增管,不还能否 让微光“显形”。

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“我们都都都都 在南京找到了符合条件的厂家,生产出特制的乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体,直接导入罐装车,运往南方的实验室。”曹俊说。

  在注入玻璃球前,为了清除运输过程带来的污染,科研人员时需把乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学干扰和绿帘石放射性;往乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体里加三种发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这还时需说是世界上最透明的乙炔气体体乙炔气体体乙炔气体体,多么微弱的光都还时需透过。”曹俊说。

  穿过液闪的光子,随即会被密布在球外的2万个20英寸光电倍增管和2万5千个3英寸光电倍增管“捕获”。什么光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,还时需想看 任何信号微澜。

  科研人员正在测试光电倍增管性能。(中科院高能所供图)

  20英寸光电倍增管制造难度很大,其中500个由国内研指在产。“最初,JUNO打算全部从国外采购,但当时不还能否 不还能否 日本一家公司生产,光某些 项就大慨整个项目40%的经费,怎么让信号挂接传输速率也达不还能否 要求。于是,我们都都都都 决定自主研发。”JUNO光电器件性能标定实验室的朱瑶回忆说。

  从509年成立至今,朱瑶所在的实验室奋斗了10年,钻研出一套和国外产品全部不同的技术方案。

  “光子进入光电倍增管,会被转化成电子,经过微通道板多次倍增后,有有一个多电子还时需变成一千万个电子,信号就被放大了。我们都都都都 研发的微通道板,是将第一条根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一起,怎么让切片,不仅倍增效果好,挂接传输速率高,还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

  未来,什么被放大的光电信号或许还时需帮助科学家解开有有一个多重要的谜题——中微子的质量顺序,即三种中微子哪个最重。

  “中微子的质量顺序是自然界的基本参数之一,影响宇宙的演化进程。知道了质量顺序,还时需为某些研究铺路。”曹俊说,“理论家一个劲试图建立统辖宇宙万物的大统一理论,质量顺序是检验什么理论算是正确的钥匙。”