地下700米的神秘粒子“捕手” 地下700米抓出中微子
作者：chunzhi 发布时间:2024-10-25捕捉中微子的“天罗地网”
当中微子在液闪中发出微弱的光，密布于不锈钢网壳内侧的一只只“眼睛”——光电倍增管便开始发挥作用。记者在现场看到还没有安装进中心探测器的光电倍增管，每个直径足有半米长。这种20英寸的光电倍增管在中心探测器上要安装2万个，再加上2。5万个3英寸光电倍增管，为捕捉中微子布下了“天罗地网”。
“光电倍增管是中微子探测器中最重要的部分，中微子信号就是通过光电倍增管探测出来，它们将中微子与液闪反应的光信号转变为电信号，并放大千万倍，然后在计算机中进行具体分析和研究。”王贻芳介绍。这个国之重器的建设，客观上带动了我国光电倍增管行业的发展——国际上能生产相关光电倍增管的公司很少，不仅性能达不到要求，售价还特别高。因此，中国科学院高能物理研究所的科学家们启动了光电倍增管的预研并积极推动国产化。他们发明了一种全新构型及电子放大方式的新型光电倍增管，在与相关企业合作后，最终研制出收集效率等关键技术指标达到国际领先水平的光电倍增管样管，拥有完全自主知识产权，打破了该领域的国际垄断。
构成光电倍增管的真空玻璃壳是一种典型的脆性材料，长时间工作在44米深的水池中，存在内爆风险。内爆产生的冲击波有可能引爆周围的光电倍增管，产生链式反应，最终损坏所有光电倍增管，甚至破坏探测器的主体结构——这类事故在国外就曾发生过。“为此，我们研制了一套水下防爆系统，为每一个光电倍增管加装保护装置。”曹俊指着旁边的一个光电倍增管样品介绍，该装置前半部为半椭球形的极透明有机玻璃罩，既能承受50米以上的水压，又能适配光电倍增管最小25毫米的安装间隙，同时实现了好于0。4毫米的精度和98%以上的水中透光率。后半部为不锈钢保护罩和连接结构，既保证了强度，又对实验的光信号无遮挡。该防爆系统可以有效减缓高压水填充真空区域的速度，从而显著减低冲击波的强度，避免发生链式反应。
中微子不仅要捕捉得到，还要捕捉得准确，这需要反符合探测器将非中微子的信号排除掉。江门中微子实验反符合系统负责人杨长根介绍，水池里3。5万吨的水需要在水净化室进行纯化，这些超纯水可以用作宇宙线探测器，将宇宙线对中微子探测的干扰排除，也可作为屏蔽层，屏蔽掉岩石中的天然放射性以及宇宙线在附近岩石中产生的大量次级粒子。此外，水池上方的径迹探测器可以测量宇宙线的精确方向，更有效地排除错误信号，使中微子探测更精准。
目前，江门中微子实验建设进入收官阶段：最内层的有机玻璃球已合拢，外层的不锈钢网架和光电倍增管也在有序合拢中，预计11月底完成全部安装任务，并启动超纯水、液闪的灌装，2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。王贻芳表示，江门中微子实验有着丰富的科学目标，包括测量中微子的质量顺序，精确测量三个中微子振荡参数，以及在2030年装置升级后测量中微子的绝对质量，也将在太阳中微子、地球中微子等研究方面达到国际最好水平，并有望在超新星中微子、质子衰变等方面取得重大成果。
来源：光明日报
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