一群人在广东深山里放了一个超大水晶球，计划在地下700米捕捉“宇宙幽灵”

2023年度“科普中国青年之星创作大赛”获奖作品

作者：何婧雯

700米是什么概念？它是几十层楼那么高，是大约7000个香飘飘连起来那么长。那如果是向下700米呢？那将是需要乘坐轨道缆车，通过长长的斜井才能到达。

在广东的深山里，有一群人计划在地下700米挖出一个大洞，放置一只超大的水晶球，在水晶球里注入两万吨最透明的液体，在球壁上铺满了令人炫目的金黄色器件。如果在施工前期走进洞口，你会发现洞的入口处弥漫着浓重的雾气，走进浓雾，热浪夹杂水汽扑面而来，幽长的隧道如同一个大蒸笼，滞重的湿气闷蒸着人的皮肤，阳光很快就被屏蔽到身后，小过山车一样的轨道缆车将载着你通向地底深处——以上的一切不是魔法世界或奇幻小说的场景，是中国科学家捕捉“宇宙幽灵粒子”的实验基地。

江门中微子实验探测器结构示意图 图源：江门合作组

什么是宇宙幽灵粒子？

“幽灵粒子”实际上叫做中微子。

1930年，物理学家泡利假设了一种不带电、弱相互作用的粒子，并将这种可能存在的粒子命名为中微子。1956年，中微子成功被两位美国物理学奖探测到了，这一成果在1995年获得诺贝尔物理学奖。

中微子为什么重要？因为它是构成我们物质世界的“1/4”。

山川河流、岩石土壤，每个在地球上存活过的生命，乃至宇宙星河——我们已知的、能看见和看不见的一切物质，都由12种基本粒子构成。这些基本粒子中有3种是不同类型的中微子，即电子中微子（e）、缪子中微子（μ）和陶子中微子（τ）。

中微子有三种类型 图源自网络

中微子十分懒惰，它呈电中性，不轻易和物质发生反应，当十万亿个中微子穿过地球时，只有一个中微子会跟地球发生相互作用。事实上，每秒都有数以万亿计的中微子，以接近光速的速度从我们的身体里穿过，而我们却根本感受不到它，这也是因为中微子的这个特性。

“中国有史以来最重要的物理学发现”

中微子不仅会隐身，还会变身，科学界将三种中微子之间的相互转换，称为“中微子振荡”。换一个形象的比喻，e、μ、τ三种中微子好比是你数、语、外三科老师。想象一下，你的数学老师正上着课，突然变成了语文老师；语文老师讲着讲着，又变成了英语老师，这种变化就是中微子振荡。

加拿大的SNO实验和日本超级神冈实验，分别发现了数学老师变成语文老师，以及语文老师变成英语老师的模式。这两项实验共同获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

那么，接下来要探索的则是，数学老师就不能直接变成英语老师吗？

存在第三种中微子振荡模式吗？

2003年左右，国际上提出了8种实验方案来探测中微子的第三种振荡模式，其中就包括中国的大亚湾实验。最终3个方案得以实施，分别是中国大亚湾、韩国RENO和法国的Double Chooz。谁能率先测得中微子的第三种振荡模式，谁就赢得了这场物理科学的全球竞赛。

大亚湾实验有其得天独厚的优势——由于中微子不易被捕捉到，科学家们要想对它展开研究，就需要很强的中微子源不断地产生中微子，而大亚湾实验探测器附近就有一个强大的中微子源。

大亚湾中微子实验的中心探测器 图源：中国科学院高能物理研究所

中微子源有天然的也有人工形成的。比如太阳就是一个超大的中微子源；此外，超新星爆发、宇宙射线穿过大气层时都会产生大量的中微子；地球也会发射中微子；甚至我们自己都是中微子源，因为人体含有钾元素，而钾的同位素衰变又会产生中微子。除这些天然的中微子源外，还有反应堆核裂变、加速器的束流打靶等人工中微子源。

大亚湾实验选址在距离大亚湾核电站反应堆不远的地方，可以很好地接收伴随反应堆核裂变产生的中微子。因为大亚湾的这一特殊之处，美国人决定放弃本土设计的两个方案，带着3400万美元的建设资金和科学家加入了中国大亚湾实验团队。

当时，各国都在争分夺秒地建设实验站，展开取数工作，为的是能抢在其他国家之前发布这一重大物理学成果。

2011年8月，韩国RENO开始取数，而中国大亚湾实验原本计划建成8个探测设备，此时才刚建成6个。韩国抢先开始取数，意味着他们随时可能公布成果。中国大亚湾实验科研团队当机立断，决定提前启动探测装置！

两个月后，中国大亚湾实验就测得了中微子的第三种振荡模式，并发布了这一重要成果。Science杂志将其评为当年全球十大科学突破，并认为该成果是“中国有史以来最重要的物理学发现”。

全面国产化！新的故事将始于地下700米

2020年，大亚湾实验光荣退役，但中微子还有很多未解之谜。

其实早在大亚湾实验刚开始建设之时，科研团队就开始思考大亚湾之后的中微子研究。经过科研人员的反复讨论和验证，最终，广东江门开平市的打石山被选为新中微子实验基地，命名为”江门实验“，其主要任务是对三种中微子的质量进行排序，利用这个实验，科学家还可以研究超新星、地球及太阳发出的中微子，寻找惰性中微子，研究质子衰变等等。

要想研究中微子，需要尽量屏蔽宇宙射线和光的干扰，以便探测器能更好地发现中微子的踪迹。把探测器建在地下700米，就是为了借山石土地屏蔽宇宙的其他射线。当然，仅是屏蔽其他宇宙射线还不够，还需要有捕捉中微子踪迹的“眼睛”。

捕捉中微子的原理说起来也很简单：科研人员在地下700米的巨大水晶球中，注入“液体闪烁体”，如果中微子在这个液体里发生反应，液体就会出现荧光；接着，球体周围遍布的“猎眼”——探测器件“光电倍增管”就会捕捉这些微弱的光信号，并将其转化为电信号，由数据获取系统保存下来，提供给研究人员做分析研究。

“猎眼”光电倍增管 刘悦湘 摄

光电倍增管是中国大亚湾和江门实验的最核心探测器件。2003年中国团队提出大亚湾实验时，国内还只能生产2英寸的光电倍增管，口径小，灵敏度不够高，批量稳定性差，远达不到实验要求。当时，日本的滨松公司几乎垄断了国际上高端光电倍增管的生产。大亚湾实验所用的近3000支8英寸光电倍增管是美方从日本采购的。

对于江门实验来说，若想测得中微子质量排序，国际上现有的光电探测器件，包括日本滨松公司的产品都不能满足新实验的要求，且滨淞的光电倍增管价格昂贵，是我们预期成本的两倍以上，我们没有议价的主动权，能否研制出高性能的光电倍增管成为了江门实验成功的关键。

2009年左右，中国科研团队决心要尽快启动研发中国自己的光电倍增管，满足实验要求，并打破垄断，降低实验成本，在外购中争得主动权。

当时，大亚湾实验的首席科学家王贻芳与几位同事设计了一个光电倍增管概念图，其设计思路完全不同于国际上通行的传统方案。经过反复讨论和验证，得出结论——这个创意非常大胆，但原理上可行！

有机玻璃球升降平台 图源：中国科学院高能物理研究所

2011年底，中国科学院高能所牵头，包括北方夜视在内的几家单位组成的合作组成立，新型光电倍增管的预研正式启动。

几年间，合作组几乎跑遍了半个中国，寻找愿意一起研制的企业，从零开始摸索新工艺条件和配方，改变工人操作习惯，攻克了包括保持全面积高量子效率、大玻壳研制、真空封装等等技术难题。2015年，在规定的期限之前，中国终于研制出关键技术指标达到国际先进水平的光电倍增管样管，并拥有完全自主知识产权，为进入工程化和批量生产打下了坚实的基础。

高效率20英寸光电倍增管国际上从未量产过，对产品可靠性也没有把握。为保证供应链安全，科研团队最终决定分别由中国的北方夜视公司承担15000只、日本滨松公司承担5000只光电倍增管的生产。最终，江门合作组实测北方夜视的生产的光电倍增管平均探测效率为30.1%；日本滨松的为28.5%，均优于27%的实验要求。

值得骄傲的是，江门中微子探测器的所有主材料，全部高质量实现国产化，极大地降低了实验成本。

盛放最透明液体的不锈钢容器 刘悦湘 摄

为什么要做基础科学研究？

从牛顿定律到量子力学，从黑洞到引力波，全人类总是共享基础科学的成果。既然如此，等待别人做研究就可以，为什么还要自己去做基础科学的研究呢？

对此，王贻芳曾在接受果壳科学人采访时给出了他的答案：“对于所有的技术发明和科学成果，最先发现的人有一定的优势。如果只是享受别人的成果，那么别人会看不起你，会抢夺你的财富。你掌握了最前沿的知识，自然就会有最前沿的技术，有了最前沿的技术，剩下的东西自然都会有的。”

人类的历史在无垠的宇宙面前无比短暂，即便是在仅存几十亿年的地球面前，都短暂得如同一天之中的一秒钟一样。可就是这样短暂的一秒钟里，人类创造出了灿烂的文明，并不断探索着宇宙的终极答案。

“理解神奇美妙的粒子物理世界，是人类文明发展最高端的标志之一。”王贻芳说。江门中微子实验是中国最重要的基础科学实验之一，是中国向浩瀚宇宙发出的又一次天问。了解更多中微子的奥秘，可能就能让我们在探索茫茫宇宙的万里征途中，迈出这郑重而坚实的一小步。

江门中微子实验在2015年破土动工，计划于今年正式完工。文章开头描述的场景如今也已不复存在，通风管道很好地保证了基地的温度和湿度满足实验要求。

地下700米，期待中国之声响彻。

【致谢中国科学院高能物理研究所中微子方向副研究员赵洁老师对本文的审阅和建议】