江門中微子專項：拓展「幽靈粒子」研究新空間

熟悉中國科學院先導專項的人都知道，自2011年起，中科院組織實施了戰略性先導科技專項，並把它分成了A、B兩類，A類側重於前瞻戰略科技，B類側重於基礎與交叉前沿方向布局。

不過，細心的人會發現，在A類先導專項的名單里，有一個特殊的條目——「江門中微子實驗」。與所有其他專項都不同，「江門中微子實驗」專項只為一項實驗而設。

回望過去，這個特殊的先導專項，曾因獨特的國際競爭而提前誕生。5年來，它一步步為撐起中國中微子研究的新輝煌而前行。

提前5年啟動的項目

江門中微子實驗先導專項的誕生，還要從大亞灣實驗說起。

2007年10月，大亞灣反應堆中微子實驗開工。熱衷於「走一步看三步」的科學家們一邊建著大亞灣工程，一邊盤算著下一步還可以做點什麼。

現任中科院高能物理所所長王貽芳和研究員曹俊提出的「中微子的質量順序測量」方案很快成為二期實驗的首選。不過，二期實驗能不能做，取決於一個前提——大亞灣實驗測出的中微子振蕩幾率一定要夠大。

2012年3月8日下午兩點，高能物理所召開了一場新聞發布會，王貽芳向世界宣布，大亞灣實驗測到了中微子第三種振蕩，振蕩幾率為9.2%。這一結果，遠遠超過他們最早期待的1%到3%。科研人員心裡有數了：「後續的中微子實驗能做！」

最終，實驗選址廣東江門，距陽江和台山反應堆群皆為約53公里，由原先的「大亞灣中微子二期實驗」更名為「江門中微子實驗」。

讓人意想不到的是，項目的啟動比預期中提前了5年。「2008年時，我們預計如果大亞灣實驗結果比較好，十年後可以啟動後續研究。」曹俊說。

大亞灣實驗結果公布之後，中微子質量順序測量成為下一步的研究熱點。美國、日本，甚至印度都逐漸明確了下一步的計劃。「我們如果走常規的經費支持申請渠道，新的研究項目批下來至少還要四五年，到那時，這事兒就黃了。」曹俊說。

於是，他們申請了先導專項的支持。2013年2月1日，唯一一個以單一實驗項目為內容的戰略性先導專項成立了。根據科學目標，「江門中微子實驗」工程建成後將著力解決國際中微子研究中下一個熱點和重大問題：中微子質量順序，同時開展超新星中微子、地球中微子、太陽中微子等一系列國際領先的天體物理研究，鞏固我國在中微子研究領域的國際領先地位。

關鍵器件已實現國產化

項目啟動，技術挑戰也隨之而來。大亞灣中微子實驗項目積累下來的經驗，雖然為江門中微子實驗建設提供了支撐，卻無法解決新出現的所有技術問題。科研人員要面對的第一大挑戰，就是高量子效率光電倍增管的研發。

中微子看不見、摸不著，極難探測，被稱為「幽靈粒子」。要想探測中微子，就需要極弱光探測技術，即光電倍增技術。該技術可以檢測微弱光信號，具有極高的靈敏度和超快的時間響應，就像獵手敏銳的獵眼。光電倍增管是粒子物理及核物理實驗的關鍵通用部件，其主要作用就是將光信號轉換為電信號。

當初，大亞灣中微子實驗採用了2000多支8英寸口徑光電倍增管，都是由美國合作者從日本購買。

「對於江門中微子實驗，這樣的光電倍增管已經達不到要求。我們在2008年提出實驗設想時就意識到了這個問題，設計了新型光電倍增管，啟動了技術研發。但項目提前啟動給研髮帶來了巨大的壓力，直到2015年年底，我們仍然心裡沒有底，到底能不能成功。」曹俊告訴記者。

2011年年底，由高能所牽頭，北方夜視技術股份有限公司、中科院西安光學精密機械研究所、中核控制系統股份有限公司和南京大學等單位組成了產學研合作組。

4年時間，他們攻克了高量子效率的光陰極製備技術、微通道板、大尺寸玻殼等多個技術難點，最終研製出量子效率、收集效率和單光電子峰谷比等關鍵技術指標達到國際領先水平的樣管。

2016年11月，國內首條年產7500支20英寸光電倍增管的生產線建成運行。截至今年9月18日，江門中微子項目已經得到了2016支國產光電倍增管。

「最高」和「最大」

2015年1月，項目啟動建設。中國科學院院長白春禮為此發來賀信：「我國科學家在中微子研究領域邁出的重大步伐，對於鞏固我國在中微子研究的領先地位具有重要意義。」

「江門中微子實驗將致力於測量中微子的質量順序，並進一步精確測量中微子混合參數，其土建工程規模約是大亞灣反應堆中微子實驗項目的3至5倍。」王貽芳曾在接受《中國科學報》記者採訪時說。

按照實驗項目的計劃和判斷，江門中微子實驗項目不僅比大亞灣中微子實驗工程規模大，還將是世界上能量「精度最高」「規模最大」的液體閃爍體探測器。「精度越高，能發現的內容就越多，因為或許就差那麼一點點，我們就會錯失認識世界的機會。」曹俊說。

實驗要求探測器的能量精度達到3%，比當前國際最高水平高1倍。要想實現「精度最高」，不僅探測光子的光電倍增管效率要高，發出光子的液體閃爍體也要效率高、透明度高。

為測試透明度，科研人員拿出了大亞灣實驗八台中微子探測器中的一台。「目前我們已經完成了20噸液體閃爍體的光學純化和本底純化，光學性能已經可以達到設計指標。放射性純化方面，我們還在用大亞灣的探測器作進一步研究。」曹俊說。

同時，江門中微子實驗要求有2萬噸液體閃爍體，比當前國際最大的液體閃爍體探測器大20倍，這為工程設計和建設提出了挑戰。

經過長時間評審討論，項目最終選擇用有機玻璃罐裝液體閃爍體。這意味著工程建成後，江門的地下700米深處將有一個13層樓那麼高的大玻璃球。

今天，有幸到江門中微子實驗工地的人，能夠看到建設過半的巨大地下實驗室。這是施工人員克服了多次萬噸級地下涌水困難後建造出來的。而3年後，這裡將成為科學家更清晰地觀測「幽靈粒子」的地方，也將成為中國領先國際中微子研究的新平台。

來源：《中國科學報》

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