探索宇宙幽灵-江门中微子实验室

中微子是在物理学的浩瀚篇章中的一个神秘角色，它几乎不与物质发生相互作用，带电粒子、电磁场对它形同虚设，因而得名宇宙幽灵。每天有无数的中微子从太阳和遥远的星系中射出，以光速穿过地球，穿过我们的身体，却未引发任何痕迹。中微子的提出可追溯至20世纪30年代。当时科学家在研究β衰变时，发现衰变电子的能量呈连续分布而非固定值，这一现象违背了能量守恒定律，面对这种局面，泡利在1930年提出了一个大胆假设：β衰变中存在一种未被探测到的中性粒子，它携带了部分能量，从而使能量守恒得以维持。这一假设在当时缺乏实验证据的情况下稳定了能量守恒原则。

费米在进一步研究中将这种粒子命名为中微子，并提出了其独特的弱相互作用特性。直到1956年，雷恩斯和考恩利用核反应堆的反中微子首次成功探测到了中微子，为这一假说提供了实验验证。这项研究也为雷恩斯赢得了1995年的诺贝尔物理学奖。那么究竟什么是中微子，它又具备怎样的特性，我们该如何探测它、研究它呢？为了解开这些谜团，世界各各国都陆续开展中微子研究。

江门中微子实验（JUNO）便是我国科学界的一项重要的大科学装置，由中国科学院与广东省人民政府联合建设。江门中微子实验始于我国中微子研究逐步积累的科学成就。从2003年大亚湾中微子实验的奠基，到2012年成功探测中微子振荡，为了解答更深层次的科学问题，JUNO瞄准了中微子领域的最前沿问题：测定中微子质量顺序。江门中微子实验项目于2013年立项，2015年正式开工。JUNO实验将与日本的超级神冈实验（Hyper-K）和美国的深部地下中微子实验（DUNE）并驾齐驱，共同组成国际中微子研究的三极。

图 江门中微子实验装置俯瞰图

JUNO的核心任务是确定中微子的质量顺序。中微子质量顺序是指三种中微子（电子、μ子、τ子）之间质量的相对关系，而这一顺序是当今粒子物理和宇宙学中的关键未解之谜。要实现这一目标，JUNO利用反应堆中微子的振荡现象，通过对能谱的精准分析来解答这一基础科学问题。振荡现象的本质是中微子在不同类型之间的相互转换，其振荡的模式和强度与中微子质量之间的差异密切相关。分析这些振荡模式也就可以推断出不同类型中微子之间的质量关系。

JUNO的主要中微子来源是距离探测器约53公里的阳江和台山核电站，因为在这个距离上可以使中微子在传播过程中达到一个振荡几率极高的状态，形成明显的振荡信号。不同能量的中微子在探测器中的分布情况成为解读的关键工具，能谱图表明了中微子在不同能量下的分布情况，也记录了中微子在从反应堆到探测器的传播过程中受到质量顺序影响而发生的振荡效应。不同类型的中微子因质量不同而导致振荡模式的微妙变化，表现出能谱的畸变特征，它们是中微子在传播过程中发生振荡的直接证据。

江门探测器的核心是一个庞大的球形探测装置，直径达到41.1米，坐落在地下700米深的岩石掩护中。其主体是一个由厚达12厘米的高强度有机玻璃制成的球体，内部盛装了2万吨液体闪烁体，这种液体是中微子探测的关键材料，它由线性烷基苯（LAB）作为溶剂，配合少量发光剂（PPO）和波长位移剂（bis-MSB）混合而成。这种液体具有高透明度和低放射性背景，能够将中微子与液体中的原子核发生相互作用时产生的闪光信号传递至探测器的光电倍增管。

为了确保探测精度，液体闪烁体在设计上与此前的大亚湾实验有所不同。江门探测器的液闪并未掺杂钆，这种选择可以进一步降低背景噪声。而且液体闪烁体在注入探测器前还需经过多道纯化工序，包括使用氧化铝和蒸馏塔去除溶剂中的放射性杂质，还有通过水萃取和气体剥离技术进一步去除放射性气体。最终使液体的光衰减长度超过20米。

接下来为了精准捕捉这些闪光信号，探测器内部布满了光电倍增管（PMT），总数量超过4万只，包括大型20英寸和小型3英寸两种规格。这些PMT的任务是将闪光信号转化为电信号，再传输给后端的数据处理系统。大型PMT具有更广的光子捕获范围，能够提高光信号的整体捕获率；而小型PMT则提供了更高的空间分辨率和探测精度。这样的双管齐下的设计使探测器的光覆盖率和光子探测效率都达到了国际领先水平。

图 江门中微子中心探测器

而仅如此还不足够，为了再进一步提升光信号的收集效率，探测器在网架结构上安装了Tyvek反射膜，这种材料可以将散射光反射回液体闪烁体，又增加被PMT捕捉的光子数量。这一设计使探测器的整体光信号产额相比传统系统提升了2.5倍，能量分辨率也达到3%的优异水平。这种高度集成的探测系统，为中微子研究提供了极其敏感的实验环境，更加利于捕获到极其稀有的中微子信号以破解中微子质量顺序等问题。

中心探测器被浸泡在一个装有3.5万吨超纯水的圆柱形水池中。水池不仅起到支撑和保护的作用，还通过阻挡周围岩石的天然放射性，降低了环境背景噪声。此外，水池本身还充当水契伦科夫探测器。通过捕获高速粒子在水中产生的契伦科夫光，可以识别并过滤掉与中微子探测无关的宇宙线信号。

水池上方的顶部径迹探测器（TT）进一步增强了对宇宙线的识别能力。这一部分由多个塑料闪烁体模块组成，可以精确测量宇宙线的轨迹。通过这些系统的联合工作，江门探测器能够将宇宙线和其他背景信号的干扰降至最低，从而提高中微子探测的灵敏度。

这个中心探测器被浸泡在一个装有3.5万吨超纯水的巨大圆柱形水池中。水池不仅在支撑与保护，还屏蔽了周围岩石中的氡气等天然放射性物质，降低干扰中微子探测的背景噪声。为了确保探测器的稳定性，水池的环境控制也极为严格。由于探测器内的有机玻璃和不锈钢材料具有不同的热膨胀系数，任何温度波动都可能影响装置的稳定性。为此，水池内的水温被精确控制在21°C，波动不超过1°C。水从水池底部和顶部中心处注入，从中心探测器赤道位置流出，同时控制流速和减少湍流，成为了一个可以确保水温分布的均匀性和稳定性水循环系统。

水池内壁还覆盖了一层5毫米厚的高密度聚乙烯（HDPE）膜，用来阻挡来自岩石表面的氡气和高氡浓度地下水的渗透。水池顶部使用密封的黑色橡胶布，并在水面与顶盖之间充入高纯氮气，形成正压环境，用以隔绝空气中的氡气。

图 江门探测器系统示意图

目前，江门探测器的主体结构已基本安装完成，整体安装进度已达90%，包括液体闪烁体的纯化设备和电子学设备也在同步调试中。预计到2025年，江门中微子实验将正式投入运行。

通过研究中微子，科学家们有望推动宇宙大爆炸、暗物质以及反物质消失等物理探索。江门中微子实验正是在这样的背景下应运而生，推动中微子研究进入全新的高度，为我国乃至全世界解锁宇宙的秘密提供重要支持。

参考文献

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孙进,林世爵.江门中微子：探索宇宙奥秘的“金钥匙”[J].广东科技,2024,33(04):16-18.

朱景森.江门地下中微子实验反应堆中微子能谱预期研究[D].华东理工大学,2023.