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)在另一俩个 12层楼高的玻璃球里注入透明汽体 ,中国科学家打算造另一俩个 全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“幽灵 粒子”——中微子,从而找到通向物理新世界的大门。

  当我们当我们 将把另一俩个 直径达35.4米的有机玻璃球安里装广东省江门市西南部的打石山中。施工人员是因为在700多米深的花岗岩下方挖出来另一俩个 空洞,作为未来的实验大厅。

  “当我们当我们 突然在不停地抽排地下水。现在,水位已明显降低,相信变快就能排干净。”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,施工人员将过后开始英语 英文英文在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

  这是中国最繁复的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际之类设备相比,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)

  “幽灵 粒子”

  中微子是组成自然界的一种生活生活基本粒子,在宇宙中广泛位于。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,之类太阳发光、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,几乎不与因此 物质位于相互作用。它们如幽灵 一般穿透地球,来无影去无踪,每秒钟都在3亿亿个来自太阳的中微子穿过每因此 人的身体。

  正是因为中微子不不像光子、电子一样,与因此 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。

  它们能如此 直接穿过剧烈“燃烧”的恒星內部而不被吞噬,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位于,且不像光子在宇宙大爆炸320万年过后才过后开始英语 英文和因此 粒子相互作用过后开始英语 英文英文传播,全都也是研究宇宙最早期历史的载体。

  上世纪1000年代,科学家首次观测到中微子的位于,也不又发现中微子其实一种生活生活生活,分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞行时能如此 “一人分饰三角”,在一种生活生活类别之间相互转化,这也被称作中微子振荡。

  在你这种领域,中国是也不者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子实验室组阁 发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的另一俩个 重要里程碑。

  因此,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,中微子不能自己探测,全都实验研究进展有限,全都是因为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,一种生活生活妙招是通过汽体 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汽体 ——汽体 闪烁体(简称“液闪”),当中微子穿过球体时,会有一定的几率和汽体 里密布的氢核位于反应。每一次反应产生另一俩个 正电子和另一俩个 中子,正电子随即湮灭释放出另一俩个 快信号,中子则在反复碰撞后被因此 氢核吸收并释放出另一俩个 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都在53公里,能如此 一并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。

  因此,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探测器如此 大20倍,后者注入了10000吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,不能不能 尽是因为多地“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如此 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,并被钢架固定在另一俩个 装有约4万吨纯净水的大池中。

  如此 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哪几个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情況,还造了另一俩个 直径3米的小球来验证计算和测试否是是准确。

  “经过实验证明无误后,当我们当我们 才把这套算法用来设计大的探测器。当我们当我们 要确保它能运行1000年。”曹俊说。

  为确保12层楼高大球的设计安全无误,科研人员先发明权直径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,还位于问题。中微子引发的闪烁非常微弱,肉眼无法看了。科研人员如此 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,不能不能 让微光“显形”。

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“当我们当我们 在南京找到了符合条件的厂家,生产出特制的汽体 ,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,科研人员如此 把汽体 又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学干扰和火山岩放射性;往汽体 里加一种生活生活发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这能如此 说是世界上最透明的汽体 ,多么微弱的光都能如此 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”。哪此光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,能如此 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100000个由国内研位于产。“最初,JUNO打算完整篇 从国外采购,但当时如此 日本一家公司生产,光你这种项就大慨整个项目40%的经费,因此信号分发速度也达如此 要求。于是,当我们当我们 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10009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篇 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,另一俩个 电子能如此 变成一千万个电子,信号就被放大了。当我们当我们 研发的微通道板,是将两根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一并,因此切片,不仅倍增效果好,分发速度高,还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

  未来,哪此被放大的光电信号或许能如此 帮助科学家解开另一俩个 重要的谜题——中微子的质量顺序,即一种生活生活中微子哪个最重。

  “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tcp连接运行运行。知道了质量顺序,能如此 为因此 研究铺路。”曹俊说,“理论家突然试图建立统辖宇宙万物的大统一理论,质量顺序是检验哪此理论否是是正确的钥匙。”