深藏地下700米的“巨型西瓜”？去神秘實驗室尋找“幽靈粒子”

來源：央視新聞客戶端時間：2023-07-31 11:05:00

在廣東江門的大山深處，大科學(xué)裝置——江門中微子實驗裝置正在緊張建設(shè)中。這個深藏在地下700米的實驗室所研究的是宇宙中的一種“幽靈粒子”——中微子。

(資料圖片僅供參考)

這個神秘的實驗室長什么樣？它為什么要建這么深？“幽靈粒子”又是什么？央視新聞《頂級實驗室》帶你一探究竟↓

深入地下700米

捕捉“幽靈粒子”有多難

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最小的單元之一，其歷史十分古老，宇宙爆炸后幾秒，它們就誕生了。

中微子在宇宙中無處不在。每秒間，就有700億個中微子從我們的指縫中穿過。然而，捕捉它并非易事。中微子個頭小、不帶電、來無影去無蹤，可輕易穿透人體和地球，被人叫作“幽靈粒子”。

江門中微子實驗室正是國家為研究中微子而建設(shè)的大科學(xué)裝置。對其展開研究，我們就可能發(fā)現(xiàn)宇宙誕生之初的秘密。

為什么建在江門？

核反應(yīng)堆是地球上產(chǎn)生中微子最集中的位置。江門市距離陽江、臺山兩處核電站均為53千米，兩大反應(yīng)堆全面建成后總功率居世界第一，可獲得雙倍的實驗樣本。

可以說，這里是目前全球最適合做中微子實驗的地方。

實驗室的位置距離其正上方的山頂有700米距離。如果把廣州新電視塔“小蠻腰”放進(jìn)地下，塔尖離山體表面還有100米。

為什么要建這么深？由于地面上有很強(qiáng)的宇宙射線，會干擾對中微子的探測。700米的山體和巖層就相當(dāng)于過濾器，可將宇宙射線的強(qiáng)度大幅降低，讓我們得到純凈的中微子信號。

深入地下700米沒那么容易，需要乘坐“小火車”，沿著1300米的斜井隧道行駛將近20分鐘，就像一場“地心歷險記”↓

創(chuàng)下多項世界之最

這個神秘的實驗室長什么樣

不同于一般的實驗室，江門中微子實驗裝置的主體就像一只泡在冰水中的西瓜。

△江門中微子實驗裝置

其最外側(cè)是由低放射性不銹鋼組成的網(wǎng)架，這是國內(nèi)最大的單體不銹鋼結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)由12萬套高強(qiáng)螺栓固定。

網(wǎng)架內(nèi)部是世界最大的單體有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)——直徑35.4米、厚度卻僅有120毫米的有機(jī)玻璃球。雖然“薄如蛋殼”，卻有著極強(qiáng)的堅固性?？蒲腥藛T采用了本體粘接工藝，讓263塊玻璃板渾然一體，完全看不出一點兒拼接的痕跡。

△建造中的有機(jī)玻璃球

整個球體構(gòu)成了世界上能量精度最高、規(guī)模最大的液體閃爍體探測器。但是，想要捕捉到中微子的身影，還需要一個關(guān)鍵部件↓

“幽靈粒子”究竟怎么測

4.5萬只“黃金眼”是關(guān)鍵

江門中微子探測器研制最難的一道關(guān)，就是被稱為最靈敏的“探測器眼睛”的4.5萬只光電倍增管。這些橢圓形的“黃金瞳”可以將中微子的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并放大1000萬倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計算機(jī)分析處理。

△光電倍增管

在2016年之前，20寸的光電倍增管只有國外一家公司可以生產(chǎn)，售價一般在5萬元到6萬元一只，采購成本極高。當(dāng)時，實現(xiàn)光電倍增管國產(chǎn)化，就如同橫在科研工作者面前的一座高山。

最終，經(jīng)過我國科研人員的苦心鉆研，2020年，1.5萬只光電倍增管全部出廠并通過驗收，實現(xiàn)了這項技術(shù)的國產(chǎn)化，也打破了國外30多年的壟斷。

如今，江門中微子實驗室已經(jīng)建造了10年，科學(xué)家、工程師、建筑工人、后勤保障人員做著或許枯燥，卻極為浪漫的工作——身處700米深的地下，仰望著浩渺的星空。

到明年，實驗裝置中心的有機(jī)玻璃球就會被液體閃爍體充滿，在未來的二三十年間，將再也不會有人類涉足。它就像黑暗中的火柴，靜靜等待中微子劃亮。

這里究竟能發(fā)現(xiàn)什么樣的宇宙奧秘讓我們共同期待吧！

監(jiān)制丨劉鑫席羅曦制片人丨丁沂張嫻主編丨吳濤編導(dǎo)丨楊未希潘國華孫君偉攝像指導(dǎo)丨張春虎技術(shù)支持丨董新穩(wěn) 胡新梅夏欣月宋家苗張百奧張露淇徐義廣視覺丨楊璐素材支持丨中國科學(xué)院高能物理所劉悅湘特別鳴謝丨中國科學(xué)院高能物理所

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