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12层楼高的水晶球逼幽灵粒子现身

作者:社会经济
出处:www.lunrr.com
时间:2019-12-18

作者:高博资料来源:科技日报,发布时间:2019/3/20 14:18:17

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12层水晶球迫使幽灵粒子出现

-逼近国家科学工程公司江门中微子实验设施

花岗岩下正在挖一个700多米深的大洞,以容纳一个12层水晶球。水晶球将被浸入一个装满30,000吨纯净水的水池中,并用钢架固定。圆柱形水池直径43.5米,深44米。游泳池上方有各种测量设施。中国科学院高能物理研究所提供的照片

高博,本报记者

在两座核电站之间,花岗岩下正在挖一个700多米深的大洞来容纳一个12层的“水晶球”。从球上闪烁将揭示中微子的秘密。

广东江门正在建设的中微子实验设施是中国有史以来最复杂的高能物理实验设施。与目前最好的国际同类设备相比,其规模大20倍,精度几乎翻了一番。

世界上最大的有机玻璃球

中微子被称为幽灵粒子,人类必须竭尽全力去探测它们。如今,物理学家预计江门地下中微子实验观测站(JUNO)将精确测量中微子的一些基本特性。

中微子在宇宙中无处不在。每秒3亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。中微子很难与其他物质反应,也很难像任何东西一样穿过宇宙。现代中微子实验使用大量的目标物质作为陷阱来提高捕捉中微子的概率。

JUNO的核心是一个中空的有机玻璃球,直径35.4米,厚度12厘米。它如此之大的原因是20,000吨液体(称为液体闪蒸)将作为目标物质被注入其中。

这是人类制造的最大的有机玻璃球。中国科学院高能物理研究所所长王方毅曾经告诉《科学日报》,世界上粒子物理中使用的有机玻璃球要小20倍。水族馆的有机玻璃水箱也小得多。

这个水晶球的意思是用透明介质把里面的液体和外面的水分开。中国科学院高能物理研究所研究员曹骏说,有机玻璃球必须非常透明和坚固。

"一个12层的空球,像一座房子,可能会倒塌。其他材料无法制造,而且很难使用有机玻璃。因为有机玻璃容易开裂。”曹骏说,“制造这种球没有国家标准。我们建立了自己的力学实验室,并制定了自己的标准。”

这个水晶球的准备工作已经准备好了。当实验大厅被挖掘出来时,它将被就地建造,因为几十米的球不能穿过隧道。

最大的地下人工洞穴

朱诺的前身是大亚湾中微子实验设施。它们都使用核裂变反应释放的大量中微子。不同之处在于大亚湾检测到来自核电站的中微子。JUNO同时使用来自两座核电站和10座反应堆的中微子。

广东阳江核电站将建造6座反应堆,台山核电站将建造4座反应堆。朱诺离两者都有53公里。

曹骏告诉记者,如果探测器和多个反应堆之间的距离不相等,中微子光谱中的小结构就会相互抵消(就像正弦信号的波峰和波谷会抵消一样)。根据计算,探测器应该安装在一个矩形区域,宽度为200米,长度为2公里,距离两座核电站53公里。

53公里外,来自反应堆的中微子流会减弱。因此,JUNO的重量是大亚湾探测器的1000倍。朱诺(JUNO)的大玻璃球将被浸没在装满30,000吨纯净水的水池中,并用钢架固定(以克服3,000吨的浮力)。圆柱形水池直径43.5米,深44米。游泳池上方有各种测量设施。

为了容纳这一切,需要一个直径50米、高度70米的大厅。JUNO被设计在一座700多米的花岗岩山下,以抵御宇宙射线的干扰。

因此,JUNO正在挖掘这个国家最大的地下洞穴。这也带来了很多麻烦。隧道开挖和大厅开挖都受到涌水的冲击,造成了土建工程的延误。项目组在灌浆时抽水进行堵水。他们不敢堵塞所有的出水口,以免洞穴外部压力过大造成坍塌。

精心准备的液态中微子被探测到,中微子与质子碰撞,变成中子和正电子。正电子湮灭并发光。中子被添加到原子核中,不稳定的原子核迅速分裂并发射伽马光子。因此,第一束光和第二束光是中微子碰撞的迹象。

科学家需要三种性质来产生液体闪光:有许多质子(为中微子碰撞创造机会);特别透明(可以发出微弱的光);尽量不要有放射性(避免发出无用的信号)。

在大亚湾实验中,中国科学家调制了当时世界上最好的液体闪光灯。在JUNO,他们改进了配方,闪存质量达到了新的高度。

这种液体闪蒸的主体是烷基苯,加上一些特殊成分。它比一个纯游泳池透明得多,光线穿过几十米,几乎没有衰减。

曹骏说,为了减少液体(如气态氩、氪、氡或固体铀)中的天然放射性杂质,需要一系列工艺,包括氧化铝过滤、真空蒸馏、水提取和汽提,相当于“清洗和汽蒸”数万吨液体。

事实上,JUNO的有机玻璃球材料以及各种其他设备的材料都必须经过处理才能消除放射性。

See Low Light

JUNO在测量中微子时会收到很多无用的信号。水池和水池顶部的一些探测器专门用来探测宇宙射线,以排除相关信号。

曹骏说,2万吨液体闪烁每天只能捕获60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子和90个太阳中微子。相比之下,尽管山脉阻塞导致宇宙射线强度降低了20万倍,宇宙射线干扰信号仍然每天发生10万次。

JUNO拥有40,000多只世界上最敏感的眼睛20英寸和3英寸光电倍增器。光电倍增管可以将微弱的光转换成电信号。因为JUNO要求极高的能量分辨率,以前的商业产品不符合标准。为此,国内多家企业和研究机构共同解决关键问题,开发出了世界上检测效率最高、价格最低的产品。

光电倍增管看起来像一个内部有真空的大灯泡。泡在游泳池里很多年是有风险的。科学家认为,如果“灯泡”稍微破裂,水将立即被吸入真空并在空间中心反弹,从而形成冲击波。这种波极具破坏性,会引发连锁反应,摧毁其他光电倍增管。

为此,他们专门为光电倍增管设计了一个保护罩。即使它被损坏了,水也不会冲进去形成冲击波。

“为了解决这些问题,喜欢物理的科学家可能会发现物理不那么有趣,更复杂。但是要取得更重要的科学成就,我们必须承受这些困难。”曹骏说。

在粒子物理的标准模型中,中微子没有质量,而中微子振荡表明它们有质量,这是标准模型之外的实验现象(暗物质是另一个无法用标准模型解释的谜)。因此,中微子研究是对现有理论的突破。

JUNO可能在2021年投入试运行。它将高度肯定地回答“中微子质量序列”这一关键问题,并精确测量多个中微子参数,为物理建筑增添一块重要的砖。

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