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)

  在三个 12层楼高的玻璃球里注入透明甲烷氢气,中国科学家打算造三个 全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“幻影粒子”——中微子,从而找到通向物理新世界的大门。

  大伙儿将把三个 直径达35.4米的有机玻璃球安装到 广东省江门市西南部的打石山中。施工人员原困在700多米深的花岗岩下方梦见挖坟墓三个 空洞,作为未来的实验大厅。

  “大伙儿总爱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,施工人员将现在开始在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

  这是中国最错综复杂的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际累似 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)

  “幻影粒子”

  中微子是组成自然界的并完整都是基本粒子,在宇宙中广泛所处。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,累似 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,几乎不与许多物质所处相互作用。它们如幻影一般穿透地球,来无影去无踪,每秒钟完整都是3亿亿个来自太阳的中微子穿过每当时人的身体。

  正原困中微子前会像光子、电子一样,与许多粒子相互作用,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。

  它们还都要直接穿过剧烈“燃烧”的恒星结构而不被吞噬,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所处,且不像光子在宇宙大爆炸35万年以前才现在开始和许多粒子相互作用现在开始传播,统统也是研究宇宙最早期历史的载体。

  上世纪400年代,科学家首次观测到中微子的所处,以后又发现中微子真是有并完整都是,分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞行时还都要“一人分饰三角”,在并完整都是类别之间相互转化,这也被称作中微子振荡。

  在你什儿 领域,中国是以后者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子实验室公布发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的三个 重要里程碑。

  以后,中微子仍有过多未解之谜。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,中微子太快了 了 探测,统统实验研究进展有限,就是原困捕捉到的中微子信号过多,数据过多。

  JUNO地理位置。(中科院高能所供图)

  超级玻璃球

  探测中微子,并完整都是最好的办法 是通过甲烷氢气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甲烷氢气——甲烷氢气闪烁体(简称“液闪”),当中微子穿过球体时,会有一定的几率和甲烷氢气里密布的氢核所处反应。每一次反应产生三个 正电子和三个 中子,正电子随即湮灭释放出三个 快信号,中子则在反复碰撞后被许多氢核吸收并释放出三个 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完整都是53公里,还都要同时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。

  以后,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探测器都要大20倍,后者注入了4000吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,不能尽原困多地“俘获”中微子。

  “探测器越大,捕捉到的信号就过多,数据量就越大,就越能看了别人所看只能的。”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,并被钢架固定在三个 装有约4万吨纯净水的大池中。

  没法大的玻璃球,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次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状况,还造了三个 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,大伙儿才把这套算法用来设计大的探测器。大伙儿要确保它能运行400年。”曹俊说。

  为确保12层楼高大球的设计安全无误,科研人员先科学创造发明直径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,还缺乏。中微子引发的闪烁非常微弱,肉眼无法看了。科研人员都要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,不能让微光“显形”。

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“大伙儿在南京找到了符合条件的厂家,生产出特制的甲烷氢气,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,科研人员都要把甲烷氢气又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学干扰和全天然放射性;往甲烷氢气里加并完整都是发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这还都要说是世界上最透明的甲烷氢气,多么微弱的光都还都要透过。”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”。哪几次光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,还都要看了任何信号微澜。

  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40000个由国内研所处产。“最初,JUNO打算完整从国外采购,但当时只能日本一家公司生产,光你什儿 项就要花费 整个项目40%的经费,以后信号收集强度也达只能要求。于是,大伙儿决定自主研发。”JUNO光电器件性能标定实验室的朱瑶回忆说。

  从4009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完整不同的技术方案。

  “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,三个 电子还都要变成一千万个电子,信号就被放大了。大伙儿研发的微通道板,是将根小根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在同时,以后切片,不仅倍增效果好,收集强度高,还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

  未来,哪几次被放大的光电信号或许还都要帮助科学家解开三个 重要的谜题——中微子的质量顺序,即并完整都是中微子哪个最重。

  “中微子的质量顺序是自然界的基本参数之一,影响宇宙的演化系统进程。知道了质量顺序,还都要为许多研究铺路。”曹俊说,“理论家总爱试图建立统辖宇宙万物的大统一理论,质量顺序是检验哪几次理论算是正确的钥匙。”(记者全晓书 王攀荆淮侨)

[ 责编:赵宇豪 ]

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