2022-11-06

  江门中微子实验探测器的不锈钢网壳正逐层向上拼接，网格安装精度要求在3毫米之内。网壳拼装完工后，直径会达41米，重达800多吨。 江门日报记者 张浩洋 摄

  中国科学院院士、中科院高能物理所所长王贻芳及其团队主持大亚湾中微子实验，发现中微子第三种振荡模式，使我国的中微子实验研究从无到有并走到了世界前列。

  在接棒的那一刻起，更为先进、规模更大的江门中微子实验站将肩负起更大使命：捕获“幽灵粒子”中微子，测量其质量顺序，进而探索宇宙起源奥秘，续写我国中微子研究的辉煌。

  当下，江门中微子实验站实验室大厅已完工，进入“大脑”探测器安装的关键阶段。

  在地下700多米的花岗岩中，开挖巨大洞室和水池，容纳一个13层楼高的玻璃球，来自球内的一次次闪烁，将成为揭开最神秘粒子中微子“身世”的“密码”。

  那么，这个地下大型实验洞室建设进展、面貌如何？探测器如何捕获“幽灵粒子”？近期本报记者探访了建设中的江门中微子实验站，一探其中奥秘。

  记者来到位于开平市金鸡镇的江门中微子实验站，打石山下一片静谧，春意盎然。进入站区，装备大厅、办公楼、地上动力中心等建筑基本建成，实验站地上面貌已具雏形。

  在江门中微子实验工程办现场主管武建华的陪同下，记者来到打石山山下一处山谷，这里原是废弃的石场，周围石壁陡峭。实验大厅就藏在山底下花岗岩的岩体中。地上有竖井、斜井两处通道通往地下洞室。

  来到竖井口，进入矿用升降机罐笼，在黑暗中，垂直下行600米，经过约5分钟，来到竖井平段，进入了这座地下大型“密室”。“实验大厅之所以深藏地下，主要是在探测器‘俘获’中微子过程中，尽可能屏蔽宇宙射线、高能粒子的干扰。”武建华介绍。

  洞内灯光明亮，道路宽敞，可通行一般工程车辆。每个工段都有工人在热火朝天地施工。顶部的排气管道从洞口一直向内延伸，但在洞内走久了，略显闷热，还能听到路两边排水沟内的水流声。用手试下水温，大约在30摄氏度左右。

  据介绍，洞室内地下水水量大。在打通隧道和开挖大厅时，碰上涌水，一度致使土建工程延期。为确保实验大厅安全，解决地下水渗漏问题首当其冲。武建华介绍，洞室内已建造了一套排水系统，确保将地下水及时收集、安全排出。

  深入洞内，交通支洞纵横交错，各实验厅错落分布。沿竖井平段一路前行约300米，经过液闪纯化厅和电子学间后能够正常的看到大厅入口，豁然开朗，进入实验大厅的顶部。

  记者看到，实验大厅正中是一个巨大圆柱形地坑，其实就是放置探测器的大水池。底部距穹顶达70米左右，水平跨度达48米。据介绍，这个洞室是迄今已知的世界最大实验洞室。

  记者站在距底部40多米高的平层往下看，如站在十多层楼的楼顶，工程车辆、实施工程人员显得很渺小，宏大场景令人震撼。

  可以看到，交通支洞等隧道洞室、实验大厅等地下工程项目施工已基本完成，目前进入了探测器安装的关键阶段。

  坑洞底部的工人正在紧张施工，用大型不锈钢构件拼装一个巨大的球形网壳，它将把探测器核心部件有机玻璃球包裹其中。完工后，大水池会注满约4万吨的纯净水，将有机玻璃球浸泡其中，网壳会将有机玻璃球牢牢固定在水中。

  为了看清球形网壳架构，记者从实验大厅顶部出来，沿交通支洞下行约500米，来到水池底部，银色的不锈钢“巨人”呈现在眼前。30榀高大的支撑垳架柱围成圆形，与其连接的一圈圈弧形支架逐层向上拼接。

  网壳拼装完工后，直径会达41米，重达800多吨。网壳除了支撑有机玻璃球，还会承载前端电子学、电缆、防磁线圈、隔光板等诸多关键部件，所以对不锈钢网壳的结构制造精度要求很高。另外，水池注满水后，由于有机玻璃球内部的液体闪烁体（简称“液闪”）与外部的水有密度差，网壳还要长期承载3000吨的浮力。因而，不锈钢网壳的精度、承重设计制造至关重要。

  现场安装经理何伟介绍，建成后的不锈钢网壳将是国内最大的单体不锈钢主结构，通过12万套高强不锈钢铆钉拼接而成。“不锈钢网壳网格安装精度要求在3毫米之内，等于13层楼高的建筑体，精度要达到毫米级，这个精度在国内钢结构行业里是非常高的。”何伟说。

  据介绍，自2013年立项以来，项目组与设计、生产企业协同攻关，攻克诸多工艺技术难题，解决了大型复杂结构焊接变形问题，通过特殊工装和工法完成了所有构件在工厂的高精度预拼装；同时针对该项目的特殊需求开发了高强不锈钢短尾环槽铆钉摩擦型连接技术。这些技术授权多项发明专利，不仅实现了不锈钢结构高强连接，同时也克服了不锈钢螺栓连接常见的抗咬合问题，该技术下连接预紧力一致性明显提高，防松性能更好，安装也更加快速有效。其中不锈钢短尾环槽铆钉技术由中国机械通用零部件工业协会进行了鉴定，首次用于钢结构领域，并据此发布了有关标准，填补了国内空白。

  “为了确保不锈钢网壳安全快速拼接，我们已在场外模拟拼装了多次。”现场一位实施工程人员介绍说。

  “接下来，施工工人将继续有序安装不锈钢网壳，拼装成球体。等网壳安装好，再安装有机玻璃球。球体共分23层，通过专门研制的升降平台从上至下逐层拼装聚合，这样的一个过程从温度控制到每一步工艺细节要求都很严格，不能有一分一毫的漏洞。”何伟介绍说。

  宇宙到处都是中微子，每秒钟就有数万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。中微子很难跟其他物质反应，穿行宇宙如入无物之境。

  那么，面对“幽灵粒子”，新的“接棒者”江门中微子实验在捕获中微子上有何独到之处呢？

  王贻芳院士曾介绍，江门中微子实验与大亚湾中微子实验虽然都是研究中微子，但具体科学目标完全不同。大亚湾中微子实验的科学目标是利用核反应堆产生的中微子来测定中微子第三种振荡模式，而江门中微子实验是要实现对中微子质量顺序和中微子振荡参数的精确测量。因而，江门中微子实验对探测器的精度提出更高要求。

  首先，江门中微子实验选址时，科学家作了多方严密论证。物理灵敏度分析表明，允许的实验站范围在距核反应堆50至55公里，宽为200米的区域内。通过详细的地质勘测，算是天作之合，江门中微子实验站所在地距广东阳江和台山反应堆群约53公里，且地质条件也符合有关要求。“阳江与台山核电站有效的反应堆群功率为世界第一。反应堆的功率越大，释放的中微子数目越多，实验的精度就越高。因此，江门中微子实验站是世界上目前发现的最适合利用核反应堆测量中微子质量顺序的地方。”中科院高能物理研究所研究员、开平中微子研究中心主任李小男表示。

  现代的中微子实验都会用巨量的靶物质作为陷阱，提高捕获中微子的几率。有机玻璃球内将会灌入2万吨的液闪作为靶物质。

  对比下，大亚湾中微子实验用到的液闪靶质量只有20吨，这跟江门中微子实验差了1000倍。而精心调配的液体也是世界上最透明的液闪。直径35.4米的玻璃体也是世界最大的有机玻璃容器液体闪烁体。这些设计极大的提升了探测器的敏感度。

  当液闪“俘获”中微子时，会产生闪烁光，接下来需要另外一个重要器件将微弱的光转化为电信号，然后传输至后台进行数据分析。

  在江门中微子实验站办公楼会议室内，记者看到存放着一个椭圆形的黄色“大灯泡”，这个灯泡就是光电倍增管，其底部的外层和内层分别是银色和黄色的涂层，中间真空，像一只探索宇宙奥秘的“大眼睛”。需要指出是，原来光电倍增管技术由国外垄断，如今实现了国内自主研发生产。

  待有机玻璃球拼装完毕后，其内外壁会布满2万只20英寸、2.5万只3英寸的光电倍增管。像4万多只灵敏的眼睛“捕捉”稍纵即逝的闪烁光。

  李小男介绍，江门中微子实验站的探测器研制攻克了三大技术挑战：世界最大的有机玻璃容器、世界最透明的液闪、探测效率世界最高的光电倍增管（国产微通道板型光电倍增管的探测效率大于30%）。江门中微子实验站有足够自信给关注者更多期待。

  王贻芳曾向媒体透露，江门中微子实验站设计寿命30年，运行过程中，还将会进行一次升级改造，使它除了可以在一定程度上完成既定的科学目标外，还能够测量中微子双β衰变过程。

  “通过对这样的一个过程的测量，我们大家都希望把中微子的绝对质量定下来，或者做一个最好的质量限制。在测量中微子的绝对质量的双β衰变方面，江门中微子实验站将是世界最灵敏的一个实验站。”王贻芳说，它的建成，会使中国的中微子实验研究走在世界最前列。