在廣東江門開平的打石山深處,一座神秘的地下宮殿正在運轉。穿過長達 2 公里的隧道,深入地下 700 米的花崗巖層,一個直徑 35.4 米的巨型有機玻璃球懸浮在 44 米深的水池中,猶如一只巨大的 “眼睛”,凝視著宇宙的深處。這就是江門中微子實驗(JUNO),人類探索微觀世界與宇宙奧秘的最前沿陣地江門開平市人民政府。
一、捕捉 “幽靈” 的超級工程
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中微子,這種被稱為 “宇宙隱身人” 的粒子,幾乎不與任何物質發生作用。據測算,每秒鐘有 650 萬億個太陽中微子穿過我們的身體,而我們卻毫無察覺。要想捕捉到它們,需要極端精密的設備和近乎苛刻的實驗環境。
江門中微子實驗的核心是一個裝載 2 萬噸液體閃爍體的有機玻璃球。這種液體閃爍體由線性烷基苯(LAB)、熒光劑 PPO 和波長位移劑 bis-MSB 組成,能夠將中微子碰撞產生的微弱閃光放大。有機玻璃球的制造精度達到了 “毫米級”——12 厘米厚的球面厚度偏差不超過 1 毫米,相當于在 3 層樓高的球體表面,誤差不超過一根頭發絲的直徑。
環繞在有機玻璃球周圍的是 4.5 萬只光電倍增管,其中 2 萬只直徑達 51 厘米的大型管如同 “瞳孔”,負責捕捉最微弱的光信號。這些光電倍增管的靈敏度極高,能夠探測到單個光子的閃爍,將光信號轉化為電信號后放大千萬倍江門開平市人民政府。
為了屏蔽外界干擾,整個探測器被浸泡在 6 萬噸超純水中。這些水的純度達到了 18.2 兆歐?厘米,幾乎不含任何雜質,比實驗室用的蒸餾水還要純凈 100 倍江門開平市人民政府。水池頂部還安裝了 2000 根光電倍增管,專門監測宇宙射線產生的 μ 子,確保中微子信號不被干擾。
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二、破解中微子的 “質量密碼”
江門中微子實驗的首要科學目標,是確定中微子的質量順序。目前已知中微子有三種類型(電子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子),它們在傳播過程中會發生 “變身”,這種現象稱為中微子振蕩。但科學家們尚未確定這三種中微子的質量順序 —— 到底是第三種中微子(ν?)最重,還是最輕?
這個問題的答案至關重要。不同的質量順序會導致完全不同的宇宙演化圖景。例如,在 “正質量順序”(ν?<ν?<ν?)下,中微子對宇宙大尺度結構的影響與 “反質量順序”(ν?<ν?<ν?)截然不同。此外,中微子的質量順序還直接影響著無中微子雙貝塔衰變實驗的設計,這一實驗將揭示中微子是否為自身的反粒子,從而解答 “為何宇宙中物質多于反物質” 的終極謎題。
江門中微子實驗的選址獨具匠心。它位于陽江核電站和臺山核電站的中軸線上,距離兩座核電站各 53 公里。在這個距離上,反應堆產生的中微子振蕩效應最為明顯,能夠更精確地測量中微子的能譜變化江門開平市人民政府。通過分析每天約 60 個中微子事例的數據,JUNO 預計在運行 6 年后以 99% 的置信度確定中微子的質量順序。
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三、從大亞灣到江門:中國中微子研究的跨越
中國的中微子研究始于 2003 年的大亞灣實驗。2012 年,大亞灣實驗取得了歷史性突破 —— 首次發現了中微子的第三種振蕩模式,并精確測得了混合角 θ??的數值。這一發現被《科學》雜志評為當年的十大科學突破之一,為江門實驗奠定了理論基礎。
江門實驗是大亞灣實驗的 “升級版”。從幾十噸的探測器到 2 萬噸的超級裝置,從大亞灣的 3% 能量分辨率到江門的 2.95%(@1MeV),技術難度呈指數級增長。例如,探測器的液體灌注過程堪稱 “工程奇跡”:在 45 天內完成 6 萬噸超純水的灌注,同時將內外玻璃球的液位差控制在厘米量級,流量偏差不超過 0.5%江門開平市人民政府。這相當于在一個足球場大小的容器里,用輸液管的精度進行注水。
更重要的是,江門實驗實現了多項技術創新。例如,通過優化液閃配方和光電倍增管布局,將光電子產額提高到 1665 PE/MeV,比國際同類實驗高出數倍。這種超高的靈敏度,使得 JUNO 不僅能解決中微子質量順序問題,還能開展超新星中微子、地球中微子、太陽中微子等多項前沿研究江門開平市人民政府。
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四、打開宇宙奧秘的新窗口
江門中微子實驗的科學價值遠超粒子物理學領域。它將為我們揭示三大宇宙之謎:
1. 超新星爆發的終極奧秘當大質量恒星走向死亡時,會發生劇烈的超新星爆發。在爆發的最初 10 秒內,恒星會釋放出 10??個中微子,攜帶的能量超過太陽一生輻射能量的總和。江門實驗預計能探測到銀河系內超新星爆發產生的 5000-8000 個中微子,幫助科學家驗證 “中微子驅動的延遲爆發機制”,揭開恒星演化的最后篇章。
2. 地球內部的熱核反應堆地球內部的放射性元素衰變會產生中微子,稱為 “地球中微子”。通過測量地球中微子的能譜,江門實驗可以精確反演地幔中鈾、釷等元素的分布,揭示地球內部的 “熱引擎” 如何運轉。這對于理解地球演化和資源勘探具有重要意義。
3. 宇宙暗物質的蛛絲馬跡中微子雖然質量微小,但數量極多,它們的總質量對宇宙的引力場有顯著貢獻。江門實驗將通過精確測量中微子質量,為宇宙學模型提供關鍵參數,幫助科學家更深入地理解暗物質和暗能量的本質。
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五、未來:30 年的科學遠征
江門中微子實驗的設計壽命長達 30 年,這意味著它將見證人類探索宇宙的漫長征程。在完成中微子質量順序測量后,JUNO 將升級為世界最靈敏的無中微子雙貝塔衰變實驗,直接探測中微子的絕對質量江門開平市人民政府。如果實驗成功,將徹底改變我們對物質世界的認知 —— 中微子可能是一種 “馬約拉納粒子”,即自身的反粒子,這將為解釋宇宙中的物質 - 反物質不對稱性提供新線索。
這座地下 700 米的 “宇宙之眼”,不僅是中國科技實力的象征,更是人類好奇心與探索精神的結晶。正如 JUNO 首席科學家王貽芳院士所說:“我們正在打開一扇新的窗口,去觀察那個我們從未真正了解的世界。每一個被捕捉到的中微子,都可能帶來顛覆現有理論的發現。”
在江門的地下深處,那片閃爍的液體仿佛是宇宙的倒影。當我們凝視這顆 “地球之心” 時,看到的不僅是微觀粒子的舞蹈,更是人類對真理永無止境的追求。
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