■ 深圳特區報記者 古國真 李 竹/文 李偉文/圖
在江門開平市金雞鎮，一座不起眼的花崗巖山體不時傳來隆隆的機器轟鳴聲。在這座山體之下700多米深處，施工人員正在緊張挖掘著一個迄今世界最大的實驗洞室。
這就是江門中微子實驗室的建設現場。
近日，記者來到施工現場，見到了中科院高能物理研究所研究員、江門中微子研究中心主任李小男。作為中國兩代中微子實驗的見證人之一，李小男向記者講述了江門中微子實驗的「前世」和「今生」故事，一個由中國人主導的、有望衝擊諾貝爾獎的世界先導性基礎科研項目「輪廓」逐漸在記者腦海中清晰起來。
大亞灣實驗為江門實驗奠定良好基礎
講到江門中微子實驗之前，不得不提到它的前身——2020年12月12日剛剛宣布退役的「深圳大亞灣中微子實驗」。
近代物理學研究認為，物質世界是由12種基本粒子組成的，而這12種粒子中有3種是中微子。學界有一種理論叫做「標準模型理論」，描述了我們物質世界是怎麼由這12種基本粒子組成的。在標準模型裡，中微子是不帶質量的。但是，科研人員在實驗中發現了中微子的振蕩現象，這意味著中微子是有質量的。
而深圳大亞灣實驗則進一步發現了新的中微子振蕩現象！
這個由中國人主導的、歷時9年的大亞灣中微子實驗成功發現了中微子的第三種振蕩模式θ13，且實驗達到了前所未有的精度。在此之前，中微子前兩種振蕩模式「太陽中微子之謎」（θ12）和「大氣中微子之謎」（θ23）已被證實。由於第三種中微子振蕩的相關實驗長期未果，因此有理論預言它根本不存在。然而，大亞灣實驗改變了這個預言。
李小男說，中微子混合角θ13的發現，是我國中微子研究的裡程碑，其重大意義體現在兩方面：一方面是在技術上實現了一系列突破，例如研製成功擁有完全自主智慧財產權的中微子測量儀器——大尺寸微通道板型光電倍增管，打破了國際壟斷；另一方面是系統培養了一批從實驗室建設到物理分析全程參與的科研人才，他們也將成為江門實驗的主力軍。而這些都是未來開展江門實驗的底氣。
「大亞灣實驗成果獲得了2016年度國家自然科學獎一等獎，並被國外同行譽為『中國有史以來最重要的物理學成果』，由此，我國的中微子研究就一舉跨入了國際領先地位。」李小男自豪地說。
退役前，大亞灣實驗已將中微子振蕩振幅的測量精度從2012年的20%提高到了3.4%，預期最終精度將好於3%。但由於大亞灣實驗已達極限，無法再提高精度，最終宣布退役。
預計在2023年整個實驗室可以投入運行
今天的江門中微子實驗室又將承擔什麼新的科研任務呢？
「在這裡，我們要為中微子『稱重』。」李小男說。跟隨李小男走進江門實驗的辦公樓，入眼便看到牆面展板上寫著「中微子下一個挑戰目標——測量中微子質量順序」。
李小男介紹，中微子質量順序實驗將分兩步進行：第一步是通過對中微子振蕩波形分析，確定目前已知的三種中微子的質量順序，判斷三種中微子誰重誰輕，這項研究預計5至6年後能得到結論；第二步將實驗升級改造，確定中微子質量的具體大小，同時與無中微子「雙貝塔衰變實驗」一起研究，判定中微子是否為其「反粒子」，這是影響中微子天文學和中微子宇宙學的重要因素。令人振奮的是，雙貝塔衰變是最稀有的衰變之一，一旦被觀測到，可以得到一些最基本的物理學線索，將有望衝擊諾貝爾獎。
那麼江門實驗室將如何建設才能滿足實驗要求？
李小男介紹說，儘管中微子充斥整個宇宙空間，但其質量極輕、接近光速運動、極少與其他物質相互作用，被稱為「幽靈粒子」，很難被捕捉到。由於核反應堆發電的過程中會產生大量中微子，是很強烈的中微子源，因此實驗站一般選址在核電站附近，這樣更有利於捕捉到中微子。這就是為什麼江門實驗室建在陽江、臺山核電站附近的原因。
李小男說，地球外的帶電粒子叫宇宙線，會產生很多信號，而中微子本身的信號非常弱，如果實驗室建在地面上，宇宙線產生的信號會把中微子信號全部掩蓋掉。為了屏蔽地球外的帶電粒子，中微子實驗室一般都是建在地下，通過山體或者地球的覆蓋層，把帶電粒子屏蔽掉。
除了有宇宙線影響以外，我們周邊的放射性巖石或者空氣中的放射性，甚至人體中的放射性，都可能對實驗產生影響，所以實驗設施都是泡在水裡的，而且這個「水」必須是純淨水，通過純淨水把周邊的帶電離子屏蔽掉。
因此，江門實驗室要在地下700米深處挖一個實驗洞室（又稱實驗大廳），然後在實驗大廳還要向下挖一個46米深的水池，把中微子的實驗設備泡在水池子裡。
這個實驗設備叫做中微子中心探測器，是一個直徑35米的有機玻璃球。在有機玻璃球裡要灌上2萬噸的液體閃爍體，通過液體閃爍體來捕捉和研究中微子（見《江門中微子探測器示意圖》）。這就是整個實驗的一個布置。
"所以我們的工程在2015年1月10號開工建設，主要分成兩步：第一步得把實驗洞室挖出來。現在水池的底部已經露出來了，2020年底基本結束水池的挖掘。
洞室挖出來以後，第二步要安裝實驗設施，大概需要兩年半的時間把實驗設施安裝到地下洞室中去。完成以上兩個步驟，預計在2023年整個實驗可以投入運行。"
建成後的江門實驗室將擁有兩個世界「最大」：國際上最大的科研實驗洞室和國際上最大的中微子中心探測器。
將安裝國際上最大超高純淨度液閃探測器
江門實驗整個工程建設包含地面、地下兩部分。地面建築包括裝配大廳、絞車房、地上動力中心等；地下建築包括斜井、豎井、實驗大廳（即中心洞室）、附屬洞室。目前，地面建築以及地下實驗大廳的兩個入口——1267米的斜井、564米的豎井已完成建設。
實驗室配套基建工程項目經理戚敬師介紹說，地下實驗大廳是一個跨度達50米的中心洞室，從大廳挖下去的水池有46米深，從大廳向上挖到穹頂處為27米，整個洞室總高73米。洞室穹頂全依靠山體巖石自身的穩定性來支撐，穹頂到地面不能有任何柱子支撐；水池內面襯砌需要用混凝土進行澆築，這相當於給一座十二、三層樓高的樓體牆面澆築，並要做到不能有滲透、漏水。此外，地下體感溫度超30℃，大量地下水隨時噴湧。在這種高溫高溼狀態下施工，其難度可想而知。可喜的是，2020年末，實驗水池施工已基本完成，開始進入基建電氣設備安裝階段。
「你看到的所有基建，全是為了中微子探測器服務，它才是捕獲中微子的武器。」李小男透露，未來，探測器關鍵部件——有機玻璃球，以及在水池中支撐玻璃球的不鏽鋼網架生產出來後，會運到地面的裝備大廳簡單組裝，再通過斜井運往地下水池完成拼裝，最後通過豎井從地面將高純水灌滿已經放置了有機玻璃球探測器的水池。
探測器如何捕獲中微子？李小男介紹，探測器裡裝滿透明的液體閃爍體（簡稱「液閃」），液閃主要成分是用來製作洗衣粉的化工原料烷基苯。當捕獲中微子時，液閃將發出微弱的閃光，閃光被安裝在探測器表面的類似燈泡的光電倍增管捕捉，並將微弱的光信號轉換成電信號，通過計算機再轉換成數位訊號後就可為科研所用。
值得注意的是，江門實驗的探測器可容納重量達2萬噸的液閃，比大亞灣實驗的20噸大了整整1000倍；同時，探測器的關鍵部件有機玻璃球直徑達35.4米，為國際最大；不鏽鋼網架直徑也長達40.1米。建成後它將成為國際上最大、擁有國際最好能量精度與超高純淨度的液閃探測器。
未來，這個大型探測器表面將鋪滿近1.8萬個20英寸直徑的圓形光電倍增管，在這些光電倍增管之間形成的縫隙空間再鋪設3萬個小型光電倍增管，以使探測器表面儘可能多地覆蓋大小光電倍增管，從而能捕獲到更多的中微子。目前江門實驗的探測器光電倍增管覆蓋率設計達到78％。從《江門中微子探測器示意圖》可以看到，整個探測器若一顆金黃閃亮的玻璃球。
探測器的容量擴大是為了能夠捕捉到更多的中微子事例，但也為前期的建設帶來了巨大難題，比如：對液閃透光度的把握、有機玻璃球的製作、大尺寸光電倍增管的研發等都是巨大的考驗。「在大亞灣實驗室直徑5米的探測器中，中微子的光子只用跑5米就能被光電倍增管捕捉；但在這個35米直徑的探測器中，中微子的光子至少要能夠在液閃中跑20米，這需要極高的透光度。」李小男表示。
目前，探測器研製的諸多關鍵技術難題均已攻克，比如高性能的液體閃爍體已完成中試研究。李小男說，預計2021年中將完成基建施工並開始探測器的整體安裝，2023年開始運行取數。
將通過中微子探測手段
研究天體自然現象
目前，國際上能與江門實驗競爭的有兩大實驗，分別是美國沙丘實驗、日本頂級神岡實驗，他們均可測量中微子質量順序。不同的是，美、日研究是通過加速器實現人工產生中微子來進行研究。「研究人工產生的中微子，其缺點在於數目少，但能夠精確知道中微子產生的方向，可降低測量難度；我們研究的中微子相當於核反應發電的附屬產品，其方向、能量不確定，會給實驗增加難度，但核反應產生的中微子數量非常多，容易捕捉到，這是我們的優勢。」李小男解釋道。
李小男進一步向記者「科普」道，太陽、地球包括超新星爆發等等都會產生中微子，我們通過觀測這些天體發射的中微子，就可以研究天體的一些現象，比如太陽的內部結構，地球的內部結構等。因此，江門實驗的意義在於，既可以研究中微子本身的性質，還可以通過中微子這個探測手段去研究天體的自然現象。
李小男以超新星爆發為例解釋說，超新星爆發的能量99%是通過中微子釋放出來，探測百年難遇的「超新星爆發中微子」是江門中微子實驗的一個重要課題，該課題將有利於揭示宇宙形成的奧秘。
「依靠即將建成的國際最大液閃探測器，江門實驗對中微子的研究會更加廣泛，這是江門實驗最重要的意義所在。」李小男說。
中微子研究已成為現代物理研究的熱門領域，自從上世紀30年代人類發現中微子到現在，在中微子領域頒發的諾貝爾獎就已經有4人次。因此，江門實驗的科研成果也格外值得期待。
但李小男對於江門實驗的最終成果能否獲得諾貝爾獎卻顯得很平和，他笑著說：「實際上諾貝爾獎是可遇而不可求的。從科研的角度來講，我們首先要完成科研任務，而並不是奔獎去的。當然我們的科研目標可以是諾貝爾獎級別的，但所謂諾貝爾獎也好，國家自然科學一等獎也好，都是一個同行的承認而已，我們並不追求這個東西。我們現在能做的就是在現有的技術基礎上，儘可能地優化實驗設計，剩下的就是等待實驗給我們帶來的驚喜！」