中微子對于人類來說是神秘的，它是宇宙形成之初就存在的基本粒子，隱藏著許多未知的重要信息。而研究中微子是國際前沿的基礎科學，對于幫人類認識宇宙和現存的世界物質都具有重要意義。

近期，我國重大科技基礎設施——江門中微子實驗建設進入收官階段。這一承載著無數科學家夢想和期待的地方，取得了重要的進展，將于2025年8月正式投入使用。這個位于江門開平的大科學裝置，深藏在地下700米，投入使用后將主要著手研究中微子，探索其中更多的未知。這一神秘的實驗室，今天就讓我們再次去探秘它的神奇之處。

part.1

中微子的神秘面紗

中微子研究需要粒子物理、天體物理、宇宙學、地球科學等學科交叉研究，時常被稱為“幽靈粒子”，自 1956 年被發現以來就一直充滿神秘色彩。中微子是宇宙形成之初就存在的基本粒子，但中微子這種幾乎不與物質相互作用、質量微乎其微的粒子，卻承載著解開宇宙奧秘的關鍵。

其實，中微子是自然界中最基本的粒子之一，屬于輕子家族，最大的特點是與物質的相互作用極為微弱，因此具有極強的穿透力，可以輕松穿過人體、地面等。同時它的質量非常輕，以接近光速運動。然而，圍繞中微子，有大量謎團尚未解開，包括它的質量大小和起源、質量順序、是否造成宇宙中物質與反物質的不對稱等。它們的性質和行為為我們提供了理解物質世界基本規律的窗口，中微子的發現和研究，對于認識宇宙和我們現存的世界物質都具有非常重要的意義，也是國際前沿的基礎科學。

自1956年首次被證實存在以來，中微子領域研究已經獲得4次諾貝爾獎。但“捕捉”中微子難度極大，如何擁有更大、更先進的探測器從而獲取更精確的數據，是中微子研究的重點。

part.2

地下700米的國之重器

#“接棒”大亞灣中微子實驗

2012年，“人類首次發現中微子的第三種振蕩模式”這一引起熱議的消息從中國大亞灣發出。而這次的“幽靈粒子捕手”，是中國科學院院士王貽芳和他所帶領的團隊。

大亞灣中微子實驗是中國第一代大型中微子實驗，2011年正式運行。大亞灣中微子實驗首次精確測量了反應堆中微子的振蕩概率，發現了新的中微子振蕩模式，并大幅提高了振蕩振幅的測量精度，為研究中微子質量順序和振蕩參數提供了關鍵數據。在作出一系列重大的貢獻后，2020年12月12日，大亞灣中微子實驗裝置正式退役。但此時，江門中微子實驗的建設已在進行中。

21世紀初，中微子成為粒子物理學的“熱門選手”，相關實驗研究也取得了許多重大發現，包括發現三種中微子。但也因為中微子的特殊性質，其捕捉難度高，對實驗室的要求也較高。

江門中微子實驗選址為什么是江門？這是經過精心考慮和科學分析的結果，最終選定在江門開平金雞鎮的一座深山里。江門中微子實驗的首要科學目標是確定中微子的質量順序。為了實現這一目標，實驗需要靠近一個或多個強中微子源。

現實中，江門地區靠近廣東陽江和臺山核電站，這些反應堆提供了豐富的中微子源，且距離實驗站大約50至55公里，這正是測量中微子振蕩效應的理想距離。這樣的距離能夠最大化中微子振蕩的效應，同時最小化其他潛在干擾，為實驗提供了最佳的科學條件?！昂朔磻咽堑厍蛏袭a生中微子最集中的位置，反應堆熱功率越大，單位時間內釋放的中微子數目就越多，實驗精度就越高。江門市距離陽江、臺山兩處核電站均為53千米，進行研究時研究人員可獲得更多的實驗事例。”中國科學院高能物理研究所的科學家衡月昆向記者介紹。

除此之外，江門地區的地質條件對于建設地下實驗室來說是較為理想的。地下實驗室的天然屏蔽作用可以有效減少宇宙射線的干擾，這對于精準中微子探測實驗至關重要。不得不提的是，江門地區的自然環境穩定，氣候適宜，有利于實驗室的長期穩定運行和數據的精確采集?！拔覀兊氖滓锢砟繕耸峭ㄟ^測量反應堆中微子能譜來研究其質量次序。江門中微子實驗選址是綜合考慮的結果，包括了與反應堆的理想距離、建設裝置的條件、當地的地質條件等考慮?！焙庠吕ジ嬖V記者。

江門中微子實驗以測量中微子質量順序為首要科學目標，與此同時也進行其他多項重大前沿研究。其核心探測設備位于地下700米的實驗大廳內44米深的水池中央。2萬噸液體閃爍體、45000只光電倍增管、直徑35.4米的有機玻璃球、直徑41米的不銹鋼網殼等是它的關鍵組成部件。

據了解，江門中微子實驗在2013年進行立項，2015年開工建設地下實驗硐室。到2021年底，地下硐室交付使用并開始探測器安裝。而近期，江門中微子實驗中心探測器最內層的有機玻璃球和其外層的不銹鋼網殼已合攏，光電倍增管和電子學等也在有序合攏中，很快將完成全部安裝任務，并啟動超純水、液體閃爍體的灌裝，于2025年8月正式運行取數，預計運行約30年。江門中微子實驗項目在設計、建設等關鍵領域達到了世界先進水平，它將為全球科學家探索科學前沿問題、突破核心技術難題提供一個強大的研究平臺，是重要戰略科技力量。

#中心探測器內的有機玻璃球

衡月昆介紹，中心探測器位于地下實驗大廳內44米深的水池中央，直徑41.1米的不銹鋼網殼是探測器的主支撐結構，承載直徑35.4米的有機玻璃球、2萬噸液體閃爍體、2萬個20英寸（1英寸=2.54厘米）光電倍增管、2.5萬個3英寸光電倍增管，以及前端電子學、電纜、防磁線圈、隔光板等諸多探測器部件。

而有機玻璃球是探測器的關鍵部件之一，承擔著作為液體閃爍體的容器的重任。江門中微子實驗有機玻璃球內徑35.4米，由263塊烘彎球面板和上下煙囪粘接而成，有機玻璃凈重約600噸，是世界最大的單體有機玻璃球，對于中微子的“捕捉”起著重要的作用。這個巨大的球體內部將填充約2萬噸的液體閃爍體，當中微子與其發生相互作用時，會產生微弱的閃爍光。這些光信號被球體內的光電倍增管捕捉并轉換成電信號，從而實現對中微子的探測。有機玻璃球的高透光性和低放射性本底特性，使其能夠有效地收集光信號，同時減少背景噪聲，提高探測的準確性。

有機玻璃板材生產采用獨特配方和工藝，具有高透光率和低本底的特點，其天然放射性本底鈾和釷的質量占比小于一萬億分之一。其中，有機玻璃板材的加工在恒溫車間中進行以保證其加工精度。為防止氡及其衰變子體對有機玻璃本底的影響，有機玻璃板表面在建設過程中采用膜材料和帶有水溶膠的紙進行保護。除此之外，有機玻璃球粘接采用大體量注料、聚合、退火的本體聚合技術，粘接縫總長度約2公里，根據特殊情況采用特殊方法對粘接縫進行保護。

值得注意的是，有機玻璃球作為探測中微子的靶物質液閃的容器，同時整個球體置于純水中運行，運行中需要長期承受約3000噸的浮力， 該受力通過有機玻璃節點、連接桿和不銹鋼節點傳遞到不銹鋼網殼主結構上，在連接桿上裝有傳感器進行受力監測。特殊設計的不銹鋼結構預埋入有機玻璃中作為有機玻璃節點，經過反復設計優化和上百次試驗最終獲得超高承載能力，并且部分不銹鋼節點采用碟簧設計方案、有效改善了有機玻璃節點的受力分布。“有機玻璃球的安裝耗時兩年多，安裝過程中發現難免不斷發現問題，經過不斷調整后，才最終完成建設?！焙庠吕ハ蛴浾呓榻B著有機玻璃球的建造過程。

#不能忽視的光電倍增管

要捕捉中微子信號，除了有機玻璃球，光電倍增管這一裝置也至關重要。什么是光電倍增管？光電倍增管其實是大玻璃球內部布滿了一顆顆的“小燈泡”，是用于探測中微子的單個光子的真空器件。

光電倍增管可以把光信號轉換為電信號，它可以把入射的光子通過光電效應轉化成電子，少數的電子在倍增電場的作用下發生二次電子發射，可以倍增放大獲得更多的電子，放大后的這些電子通過陽極收集后輸出。光電倍增管在中微子的探測中也起著重要的作用，特別是大尺寸的光電倍增管可以實現單位面積更經濟的光子探測，可以幫助科學家找到微弱的中微子信號。

但看起來毫不起眼和燈泡相似的光電倍增管，卻是價格昂貴，在江門中微子實驗之前只有一家國外公司有能力生產全世界最大的20英寸的光電倍增管。而江門中微子實驗的建造，需要使用 20000 個 20 英寸的光電倍增管，這無疑是一筆巨大的開銷。

但為了解決這一難題，中國科學院高能物理研究所的科學家們早早開始準備。由中國科學院高能物理研究所牽頭，中國兵器工業集團北方夜視、中國科學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合作組集體攻關，攻克了高量子效率的光陰極制備技術、微通道板、大尺寸玻殼，以及真空光電子器件封裝技術等多個技術難點，最終研制出量子效率、收集效率和單光電子峰谷比等關鍵技術指標達到國際先進水平的樣管。

這一成果突破了 20 英寸光電倍增管的制造技術，新型光電倍增管實現國產化，擁有完全的自主知識產權，大幅提升了國內企業在超大型電真空器件的創新能力和國際競爭力。

如今，江門中微子實驗建設進入收官階段：最內層的有機玻璃球和外層的不銹鋼網架已合攏，光電倍增管、電子學等也在有序合攏中。未來的重要節點包括：預計12月完成全部安裝任務、啟動超純水、液閃的灌裝，2025年8月正式運行取數，預計運行約30年。

而江門中微子實驗有著豐富的科學目標，包括測量中微子的質量順序，精確測量三個中微子振蕩參數，未來有望在超新星中微子、太陽中微子、地球中微子、大氣中微子、質子衰變等方面取得重大成果。

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文字｜陀 艷

圖片 | 中國科學院高能物理研究所

審核 | 馮海波 劉肖勇