什么樣的實驗室，要建在地下700米？

要解答這些問題，首先需要了解中微子是什么。世界由基本粒子構成，我們熟悉的質子、中子、電子中，質子和中子可再分為夸克。

在粒子物理標準模型中，中微子是構成物質的基本粒子之一，由放射性衰變與核反應產生。太陽內部時刻發生的核反應，會釋放海量中微子。

它們遍布宇宙，每秒有萬億級數量穿過人體，卻幾乎不會被察覺。這是因為中微子呈電中性，質量僅為電子的百萬分之一不到，不參與強相互作用與電磁相互作用，穿過普通物質時幾乎不受阻礙，因此被稱為 “幽靈粒子”，捕捉難度極大。

物理學家對中微子的探索始于 1930 年。泡利為解釋 β 衰變中的能量不守恒現象，預言了一種不帶電荷、質量極小的未知粒子，也就是后來的反電子中微子。

1956 年，科溫和萊因斯在《科學》期刊發表觀測結果，首次證實中微子存在，萊因斯因此獲得 1995 年諾貝爾物理學獎，可惜伙伴科溫已離世，未能共享這份榮譽。此后，中微子研究進入黃金時代，科學家逐漸意識到，中微子有望成為人類觀測宇宙的全新窗口。

目前全球主流中微子探測器多藏于地底或深海。地球表面存在宇宙射線與天然放射性本底，若不屏蔽，這些信號的強度會遠超稀有的中微子信號，因此需要深入地下，借助山體與水阻隔干擾。

江門中微子實驗室選址廣東江門開平市打石山一帶，距離陽江、臺山核電站均為 53 公里，兩座核電站總設計功率達 36 吉瓦，可提供充足的反應堆中微子作為觀測對象。

實驗室建于 700 米深的地下洞室，主體中心探測器置于筒型水池中央，未來水池將灌注 3.5 萬噸高純水，屏蔽來自地面粉塵的放射性本底。

中心探測器由有機玻璃球體、不銹鋼網殼與光電倍增管等關鍵部件組成。有機玻璃球體內徑 35.4 米，壁厚僅 120 毫米，內部將填充 2 萬噸液體閃爍體作為探測靶物質。液體閃爍體 99.7% 成分為烷基苯，也是日用洗滌劑的主要原材料，其余成分為發光物質與波長位移制劑。

球體外側的不銹鋼網殼負責支撐整體結構，網殼直徑 40.1 米，分為 23 層軸向、30 段環向結構，每段設有兩條支腿，在赤道層下方固定。玻璃球體上有 590 個支撐節點，通過撐桿與網殼相連。

由于裝置建成后將完全浸沒于水中，施工前后撐桿受力差異極大，結構穩定性面臨挑戰。為此，撐桿與球體一側采用角接形式，與網殼連接時，下半球 1 至 9 層撐桿使用碟形彈簧彈性連接，其余撐桿與網殼鋼接，以此增強球體抗旋轉剛度，提升整體穩定性。網殼內側緊密排布 4.5 萬只兩種尺寸的光電倍增管，用于捕捉中微子產生的光信號。

當中微子進入中心探測器時，大部分會直接穿過，僅有極少數 —— 預計每天約 80 個 —— 會被捕捉。這些中微子將在液體閃爍體中發生反 β 衰變，產生正電子與中子。

正電子電離損失能量后湮滅，釋放出兩個能量為 511 千電子伏的光子，構成快信號；中子與質子結合后釋放 2.2 兆電子伏的光子，構成慢信號。光電倍增管接收這兩種信號，經后端電子學處理分析，通過快慢信號的時間差甄別中微子事件。

此外，網殼外側還將安裝 2400 只光電倍增管作為水切倫科夫探測器，與頂部探測器組成反符合系統，聯合標記本底產生的繆子事例，減少干擾。通過采集的數據，科學家可測量中微子數目與能譜，精準確定中微子質量序列與相關震蕩參數。

我國并非首次開展中微子探測實驗。2011 年啟動的大亞灣中微子實驗，曾發現中微子第三種震蕩模式，并成功測量其振蕩幾率。

未來，江門中微子實驗將以更大規模與更高精度，解答更多高能物理乃至宇宙謎題。兩千年前，古人曾發出 “上下未形，何由考之” 的天問，人類對宇宙與微觀世界的探索從未停止。

從理論推演到技術實現，求知欲推動著我們不斷拓寬探索邊界。如今，我們以科學與智慧凝結的裝置，在宏觀宇宙與微觀粒子尺度上延伸對物質本質的理解。即便探索沒有終點，人類仍將步履不停。