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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)在一个多多12层楼高的玻璃球里注入透明气体,中国科学家打算造一个多多全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“疾速粒子”——中微子,从而找到通向物理新世界的大门。

  亲戚他们将把一个多多直径达35.4米的有机玻璃球安装下 广东省江门市西南部的打石山中。施工人员将会在700多米深的花岗岩下方惊现一个多多空洞,作为未来的实验大厅。

  “亲戚亲戚他们无缘无故在不停地抽排地下水。现在,水位已明显降低,相信更快就能排干净。”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,施工人员将现在刚开始在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

  这是中国最多样化的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际什儿 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)

  “疾速粒子”

  中微子是组成自然界的四种 基本粒子,在宇宙中广泛地处。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,什儿 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,几乎不与一些物质地处相互作用。它们如疾速一般穿透地球,来无影去无踪,每秒钟也有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每另一方的身体。

  正将会中微子不不像光子、电子一样,与一些粒子相互作用,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。

  它们还时需直接穿过剧烈“燃烧”的恒星内部内部结构而不被吞噬,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地处,且不像光子在宇宙大爆炸330万年后来才现在刚开始和一些粒子相互作用现在刚开始传播,一些一些也是研究宇宙最早期历史的载体。

  上世纪3000年代,科学家首次观测到中微子的地处,后来又发现中微子随便说说有四种 ,分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞行时还时需“一人分饰三角”,在四种 类别之间相互转化,这也被称作中微子振荡。

  在一些领域,中国是后来者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子实验室回应发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的一个多多重要里程碑。

  但会 ,中微子仍有不不 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,中微子那么探测,一些一些实验研究进展有限,但会 将会捕捉到的中微子信号不不 ,数据不不 。

  JUNO地理位置。(中科院高能所供图)

  超级玻璃球

  探测中微子,四种 辦法 是通过气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气体——气体闪烁体(简称“液闪”),当中微子穿过球体时,会有一定的几率和气体里密布的氢核地处反应。每一次反应产生一个多多正电子和一个多多中子,正电子随即湮灭释放出一个多多快信号,中子则在反复碰撞后被一些氢核吸收并释放出一个多多慢信号。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也有53公里,还时需一起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。

  但会 ,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探测器时需大20倍,后者注入了30000吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,不不 尽将会多地“俘获”中微子。

  “探测器越大,捕捉到的信号就不不 ,数据量就越大,就越能看了别人所看必须的。”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,并被钢架固定在一个多多装有约4万吨纯净水的大池中。

  那么 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块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况报告,还造了一个多多直径3米的小球来验证计算和测试否是准确。

  “经过实验证明无误后,亲戚亲戚他们才把这套算法用来设计大的探测器。亲戚亲戚他们要确保它能运行300年。”曹俊说。

  为确保12层楼高大球的设计安全无误,科研人员先发名权直径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,还匮乏。中微子引发的闪烁非常微弱,肉眼无法看了。科研人员时需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,不不 让微光“显形”。

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“亲戚亲戚他们在南京找到了符合条件的厂家,生产出特制的气体,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,科研人员时需把气体又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学干扰和天然冰放射性;往气体里加四种 发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这还时需说是世界上最透明的气体,多么微弱的光都还时需透过。”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”。有有哪些光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,还时需看了任何信号微澜。

  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300000个由国内研地处产。“最初,JUNO打算完整性从国外采购,但当时必须日本一家公司生产,光一些项就为宜整个项目40%的经费,但会 信号架构设计 速率也达必须要求。于是,亲戚亲戚他们决定自主研发。”JUNO光电器件性能标定实验室的朱瑶回忆说。

  从30009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性不同的技术方案。

  “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,一个多多电子还时需变成一千万个电子,信号就被放大了。亲戚亲戚他们研发的微通道板,是将十根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一起,但会 切片,不仅倍增效果好,架构设计 速率高,还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

  未来,有有哪些被放大的光电信号或许还时需帮助科学家解开一个多多重要的谜题——中微子的质量顺序,即四种 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连接池池。知道了质量顺序,还时需为一些研究铺路。”曹俊说,“理论家无缘无故试图建立统辖宇宙万物的大统一理论,质量顺序是检验有有哪些理论否是正确的钥匙。”