捕捉幽灵粒子，在地下700米建神秘的实验室
读创/深圳商报驻穗记者 姚嘉莉
江门市地下700米正在建设一个大型的实验装置，为了捕捉“幽灵粒子”——中微子，它到底是什么？中国科学院高能物理研究所研究员何苗近日在广东科学中心岭南厅成功举办的第115期珠江科学大讲堂上为大家带来了一场名为《地下700米捕捉幽灵粒子》的科普讲座，详细讲述了中微子的发现历程，科研人员捕捉这“幽灵粒子”的设备条件以及目前取得的进展。
中微子什么时候开始出现在科学家的视野里？100多年以前，科学家研究β衰变的时候发现一个有趣的现象。某些元素会自发地放出一个电子（这个电子被称为β粒子），科学家在观测时发现这个电子的能量总是消失了一部分，这个就是β衰变的能谱之迷。这部分丢失的能量到底跑到什么地方去了呢？著名的物理学家，诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·泡利先生，在1930年提出一个假定，他认为在β衰变的过程中除了放出一个电子之外，同时还放出另外一种粒子，这种粒子是不带电的，没有质量或者说质量极小，相互作用非常弱，所以我们看不见这种粒子。1933年，另外一位著名的物理学家、诺贝尔奖得主恩利克·费米先生提出著名的弱相互作用理论，更好地描述β衰变这种现象，他认为在这个衰变里面释放出了一种看不见的粒子，并将其起名为中微子。
(相关资料图)
何苗说，人类活动可以产生大量中微子，最典型的两个例子：一个就是在核电站里的核反应堆，另外一个就是在粒子加速器，都是功率很强并且人工可控的中微子源，离我们很近，所以很多中微子实验研究都会放在反应堆旁边或者利用加速器来探测研究中微子。“其实人体也是中微子源，人体每天大约能产生3亿个中微子，因为我们人体有大量的钾40和碳14元素，它们在衰变的时候就可以产生中微子，并可以穿透人体，这是我们感觉不到的。”
江门中微子的实验是中科院的战略先导专项。这个项目在2013年立项，2015年开始建设，它跟大亚湾实验同样是一个国际合作实验，总共有18个国家和地区参加，国外主要是来自欧洲的国家，现在已经有700多名合作者。这个实验在江门市某个地方地下700米建造一个直径40米，13层楼那么高的探测器。
为什么这个实验要放在江门市？何苗说，这个问题由物理来决定。由于前期通过大亚湾实验和广东政府有很好的合作关系，所以首先在广东寻找地址。这个实验为了测量质量顺序必须距离反应堆50—60公里，不能近不能远，如果有多个反应堆，到不同反应堆的距离要相等，因此这个距离差不能大于200、300米，这个地方并不好找。最终找到江门市，因为这边有阳江和台山两座核电站，以两座核电站为中心画两个对应50-60公里的圈，这两个圈有两个交点，由于一个是在海上或者说靠近一个岛上面，并不太适合做实验，只能选在这个交点附近，在这个圈里面同时要在这两个核电站连线的垂直平分线上面，科学人员圈了一个很小的范围去找，最后我们就把这个时间点选在江门开平市，在一座山里面建了一个实验室。
“这个隧道从2015年初开始挖掘，花了大概有5年时间终于挖到了地下700米，这个山有241米高，又往下挖了453米深，所以总共加起来是690多米。为什么说探测器是地下700米，其实是相对于这个山的高度来说，从山往下大概有700米。”何苗说，为了到达到这个位置挖了两条隧道，一条叫做斜井隧道，有1000多米长，人跟货可以坐着这个缆车下去，还有一条竖井隧道，这个隧道比较小，但是人将来是可以从这个隧道下去的。需要两条隧道的原因是国家规定所有的地下工作必须有两个出口，以防出现意外情况时人可以从隧道中逃离。
在挖掘隧道的过程中遇到不少困难，其中一个就是藏在岩石缝里面的水。何苗说，这个水流量是非常大的，直到今天还有每小时400立方米地下水。由于在山里面这个地势相当于旁边地势要高，通过这些水库把水排到旁边的水沟、湖，但这些水排走之后慢慢地又会往地下渗透，所以抽水工作要不停地做，未来30年可能都要不停地抽水。
挖到地下700米之后，到2021年底又建造了一个地下实验大厅。在地下挖了一个圆柱形的大池子，这个探测器会放在这个池子里。主实验大厅跨度有50多米，是国际上最大的一个地下实验大厅，这个巨大的水池有44米宽、44米高。将来这个探测器的最中间是两万吨透明度很高的液体闪烁体。
我们用什么东西来捕捉中微子？正是用20000吨的有机的液体闪烁体。何苗解释道，这个闪烁体的成分很简单，叫做线性烷基苯，是一种化工原料，从石油里面提取出来的，常用于生产洗涤剂，我们在里面添加了发光物质，当中微子打进去的时候它会发生反β衰变一种反应，产生可见光，这个可见光主要在蓝光这个波段，人眼是可以感知的。罐子里面装的是液体闪烁体，看起来是蓝颜色的，这并不是中微子进去发的光，而是因为这个实验大厅里面的灯光里面含有紫外线，这个紫外线激发液体闪烁体，也能发光。中微子发出来的光是非常弱的，人眼不能直接看到，这就是为什么我们的探测器要在黑暗环境下工作，但凡有光的地方，你就看不见中微子信号了，必须要在一个绝对黑暗的环境底下探测中微子。
江门中微子实验设有丰富的科学目标，实验探测器非常大，精度非常高，它的首要科学目标就是通过反应堆中微子来确定中微子的质量顺序，还可以精准测量中微子振荡参数，研究太阳和地球产生的中微子以及超新星产生的中微子。
中微子到底有没有实际应用呢？何苗说，原理上说可能也是有的，比如中微子穿透性特别强，在宇宙中都可以穿，所以它的超长距离的通信是完全可以做到不受干扰的。还有中微子探测器能够探测核反应产生的中微子，原则上我们拎一个小型的探测器到处跑，就可以看见世界上有什么地方在做地下的核反应试验。但是，实现这有待依赖于新的技术突破甚至新的技术原理，相信在未来我国青少年能在科技创新中发挥主力军作用，成为科技强国的中坚力量。
图片来源：广东科学中心
审读：乔会青
