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给幽灵粒子“称重”揭秘宇宙演化之谜

2020-07-31 相关聚合阅读:粒子 幽灵 宇宙

原标题:给幽灵粒子“称重” 揭秘宇宙演化之谜

中微子工程地下大厅施工现场

工人们在地下作业。

从阳江和台山的核电站向北划一个“边长”约53公里的等腰三角形,其顶点交汇于江门开平市金鸡镇打石山:这里群山莽莽,而在700米地下花岗岩深处,正在建一个国内最大的地下洞室,将安装一个世界上最大的有机玻璃球。这里正是江门中微子实验项目所在地。

被科学家称为“幽灵粒子”的中微子质量谁大谁小?反物质为什么会消失?超新星爆炸又会释放什么样的宇宙秘密?待2022年江门中微子实验项目交付使用后,可能将有一些震惊世界的答案。为此,广州日报全媒体记者近日对话了中国科学院高能物理研究所副所长曹俊。

文/广州日报全媒体记者 张丹

图/广州日报全媒体记者 张丹 通讯员 刘悦湘

人物介绍:

曹俊,中国科学院高能物理所副所长、研究员,1993年毕业于武汉大学物理系,1998年在高能物理所获博士学位。1998至2004年在法国国家科研中心和美国密歇根大学做博士后。

自2003年起从事大亚湾反应堆中微子实验研究,现任大亚湾国际合作组中方发言人。江门中微子实验的提出者之一,现任项目常务副经理和国际合作组副发言人。

2012年获国家杰出青年基金,2016年入选科技创新领军人才,获国家自然科学一等奖(第2完成人)等。

1年内装完有机玻璃球

广州日报:疫情下复工以来,项目工程进展如何?

曹俊:春节期间我们没有停工,但是不许爆破,只有半数人员在开工;疫情防控常态化后,我们申请了尽快全面复工,疫情影响了约一个月工期。目前最大的困难是地下花岗岩渗水,平均每小时500立方米。每次点炮前都要把水堵住,但又不能完全堵住,否则会破坏洞石的稳定性。这是一件很困难的事,因为斜井长1.3公里,斜度40%,要用几个大泵分几级把水从700米深的地下抽到地面。我们做了很多措施,其中一个是从顶上往下打了一个水位监测孔,我们能看到水位在不停下降,但水量还没减少。

理想的情况是把整个洞挖完,等压力释放差不多后再把缝堵住,这样水量就会变少,但能少多少也不知道,又不敢完全堵住,万一水压太大会把洞压垮。可能将来水会比较少,也不排除一直有这么多水,需要一直泵水。深井实验室都会面临这个问题。预计今年底可以完成土建工作。

广州日报:土建完成后,重点就是安装中心探测器以及配套设施?

曹俊:实验室大厅50×80米,已经挖了30多米,底下还有一个50×50米的圆柱空间正在挖,挖的时候会同步在地面上装辅助设施。坑挖好后要建一个大水池,水池壁用高密度聚乙烯做内衬,做完内衬才能开始搭架子。

整个池子将保持非常高的纯净度,会有3.7万吨的纯水不停地循环,重达2万吨的球形液体闪烁探测器(又叫中心探测器)浸泡其中。

实验大厅共有两大探测器,一个是用来探测中微子的中心探测器,一个是反符合探测器(包括水池和水池钢桥上面的塑料闪烁体探测器,主要用来剔除假中微子)。

中心探测器是一个直径35.4米、厚12厘米的球状有机玻璃罐。有机玻璃板要通过隧道一块一块运进来,在地下采用本体聚合工艺无缝粘合成一个大的有机玻璃球,这个最花时间,我们预计2021年初完成这个大球。

因为安装有机玻璃球对材料和力学性能的挑战性极大,几年前我们在国内找了3家公司做研究。招标后,厂家重新改造了生产线,长3米、宽8米、厚12厘米的有机玻璃板目前已生产了一大半;板材全部生产出来后还要先窝成球形,每一块都要用激光测精度。

安装后的大球将有十几层楼高。大球里面灌满液闪(液体闪烁体),球内的液闪跟球外的水密度不一样,将来要承受3000多吨的压力,而有机玻璃球本身很软撑不起来。因此这个有机玻璃球会装在一个钢架里,钢架有14到15层楼高。我们用500多根杆撑住这个钢骨架,钢骨架上还会分模块安装2万个大光电倍增管和2万多个小光电倍增管。

有机玻璃球建好后我们会往水池里灌纯水,往大球中灌液闪。我们一边生产,一边纯化,这个过程要花半年时间。而在地面有一个很大规模的水纯化设备,可以将自来水净化成高纯水。

液闪的成分主要是烷基苯,再加上一些特殊的配料制成。液闪从南京运过来后先放在地面存储罐,等抽出来后用意大利运来的设备进行蒸馏、气体剥离,再用国内生产的设备来过滤和水洗,分四步纯化。这样一边生产,一边灌装,每小时能往球里面灌7吨,预计到2022年底可以装完全部探测器。

期待超新星中微子

广州日报:江门中微子项目预计2022年建成投入使用,作为国之重器,预计会有哪些重大发现?

曹俊:中微子研究是最火热的前沿物理。自从2012年大亚湾发现第三种中微子振荡模式以来,世界上未来的三大中微子实验(日本顶级神冈项目、美国DUNE项目、中国江门项目)研究的重点是宇宙正反物质的不对称性以及三种中微子的质量顺序。

江门中微子实验将拥有世界上最大的液闪探测器,共2万吨液闪,预计每天能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子以及290个太阳中微子。

除了探测阳江、台山反应堆发射的中微子、研究其质量顺序和测量中微子振荡参数外,江门中微子项目还可用于研究太阳、地球和超新星中微子,因为探测器比以前更大更先进,我们可以把以前研究过的东西看得更清楚,也可能会有超预期的发现,比如超新星研究。

超新星对于宇宙的演化非常重要。超新星中微子有两类:超新星背景中微子和超新星爆发中微子。宇宙中超新星在不停地爆发,它们不停地来到地球,称为超新星背景中微子,但由于距离遥远,数量特别少,人类还没有测到过,江门中微子实验有可能最先测到它。它能给我们很多关于宇宙的信息,比如恒星形成的速率。

另一类是超新星爆发中微子,过程只持续10秒,人类第一次看到是1987年,由日本神冈第一代探测器看到(获2002年物理学诺奖)。人类目前总共才看到20多个超新星爆发中微子。如果类似的近距离超新星再爆发一次,江门中微子项目将能看到5000个超新星爆发中微子。

超新星爆炸有三个主要过程:1.塌缩时中子化,只持续几十毫秒;2.塌缩的物质撞到很硬的核上开始反弹,形成冲击波;3.慢慢冷却。这三个过程都会释放出有各自特征的中微子。超新星有不同的理论模型,差别较大,我们将来一旦测到了,可以判断哪个理论比较合理,或者我们提出一个新的理论,可能有非常重大的发现。

超新星背景中微子我们肯定能看到,超新星爆发中微子则要看运气,1987年后再也没有发生近距离的超新星爆炸事件,人类再没有看到相关的中微子。

此前日本和美国的实验项目只能看到电子中微子,但我们江门项目用液闪能看到全部中微子:电子中微子、缪中微子和陶中微子。这3种中微子在超新星爆发中都会起作用。

车上“聊”出来的实验

广州日报:江门中微子实验项目是怎么提出来的?

曹俊:此前大亚湾中微子实验发现了第三种振荡模式,其国际影响非常大,天时地利,我们中微子研究团队走到了世界粒子物理的最前沿。

江门中微子实验项目的提出很有意思。2007年大亚湾中微子项目才开工,中科院高能所的王贻芳所长就很有前瞻性,他当时就在想:下一步要怎么走?2008年3月,我们坐在从深圳机场到罗湖口岸的出租车上,一路聊各种可能性,最后谈到用反应堆测中微子的质量顺序。我当时有两个担心,一个是项目花钱太多,比大亚湾项目要贵10倍;另一个是当时世界上最好的技术也做不出所需的探测器。王贻芳想了想,说“这个非常好”。他表示,我国经济发展很快,现在觉得费用贵,再过十几年就不觉得贵了。再花十几年时间,所需的技术就研发出来了。于是我们回到北京就开始写文章,从科学上规划这个实验。

2012年,大亚湾中微子实验出了结果,测到的振荡很大,使得在江门的实验变得可行。我们马上向中科院申请江门中微子实验项目,第2年就立项了,后来我们就一边设计探测器,一边加速光电倍增管的研发。

广州日报:据悉,大亚湾中微子实验计划将于今年年底退役,你从2003年起从事大亚湾反应堆中微子实验研究,请谈谈在实验中的难忘经历,以及大亚湾项目对江门项目的影响。

曹俊:我当时在美国费米实验室做博士后,2003年9月,王贻芳邀请我回国,那时国内搞中微子研究的很少,我第一次设计自己的实验项目,感到很开心。王贻芳提出概念框架,我负责模拟计算,给出各项设计参数,前一两年几乎是我一个人在算,白天晚上都在办公室度过。

后来参加人员和自己培养的学生都多了起来,但工作仍然高度紧张。记得2011年底,大亚湾实验的数据分析进入关键阶段,面临激烈的国际竞争,整个团队士气高昂,争分夺秒开展研究。有一天晚上到凌晨1时许,我突然想到一个问题,给几个年轻人发了封邮件,没想到一会儿就收到几封回信讨论这个问题。我说既然都没睡,那就开个会吧,于是凌晨2时召集了视频电话会,当场解决了这个问题。当年在大亚湾中微子项目中培养的一批年轻人,现在都成了江门中微子实验项目的骨干。

江门项目带动了技术创新

广州日报:江门中微子实验项目带动了国内哪些相关技术创新?

曹俊:大亚湾项目时,我们找遍了全国,确实没有厂家能做高精度的有机玻璃罐;到了江门项目,有机玻璃球的难度又大了很多倍,但我们动员了国内最顶尖的科研力量,跟几个厂家一起研发解决技术难题。比如有机玻璃板弯成球状后,发现透光率下降,我们通过研究给解决了。如今我们做出了天然放射性本底最干净的有机玻璃板,后来连意大利的暗物质实验项目也决定采用我们的有机玻璃板。

科学家总想把设备做得最好,工具越好,我们科学发现的能力就越强。几乎每个系统我们都要全面调研、分析,看有可能做到什么程度,这样也会把生产厂家的能力推向极致,并实现突破。比如国内自主研发的光电倍增管,本来性能已经达到国际先进水平,已经在批量生产,但我们觉得还有提高的余地,就要求厂家慢下来,边生产边琢磨工艺,果然后来又提升了一截,现在是世界上效率最高的。

此外还有一些很有意思的小专利,比如有机玻璃球安装要用到14万个螺栓,既要高强度又要高摩擦系数,国内原来没有,现在我们也做出来了。实验过程中每个特殊的要求都会推动厂家研发,或者我们共同去研发,以此带动一批技术创新。

将建中微子科普基地

广州日报:江门中微子实验项目的国际合作情况如何?

曹俊:从大亚湾项目到江门项目,我们的国际合作上了一个档次。大亚湾项目当时主要是中美合作,江门项目现在主要合作方有意大利、德国、法国、俄罗斯等18个国家和地区,国外有40多个单位以及300多名科学家共同参与。

广州日报:项目建成后有没有科普旅游计划?

曹俊:江门中微子实验项目的安装厅有几千平方米,建设完成后这个厅会改造成一个科普馆。地方政府对科普项目进行了大力支持,具体正在设计中,也有其他配套计划的设想。

当时大亚湾中微子实验想看的人很多,但因为建在核电站里面,每年只有1000人可以参观。江门中微子科普基地紧靠着地方旅游资源,像著名的开平碉楼和赤坎镇,参观人数每年也许能达到10万,特别是如果我们做出了重大科学发现的话。