給幽靈粒子「稱重」揭秘宇宙演化之謎

對話中國科學院高能物理研究所副所長、江門中微子實驗項目副發言人曹俊

中微子工程地下大廳施工現場

工人們在地下作業。

從陽江和臺山的核電站向北劃一個「邊長」約53公裡的等腰三角形，其頂點交匯於江門開平市金雞鎮打石山：這裡群山莽莽，而在700米地下花崗巖深處，正在建一個國內最大的地下洞室，將安裝一個世界上最大的有機玻璃球。這裡正是江門中微子實驗項目所在地。

被科學家稱為「幽靈粒子」的中微子質量誰大誰小？反物質為什麼會消失？超新星爆炸又會釋放什麼樣的宇宙秘密？待2022年江門中微子實驗項目交付使用後，可能將有一些震驚世界的答案。為此，廣州日報全媒體記者近日對話了中國科學院高能物理研究所副所長曹俊。

文/廣州日報全媒體記者 張丹

圖/廣州日報全媒體記者 張丹 通訊員 劉悅湘

人物介紹：

曹俊，中國科學院高能物理所副所長、研究員，1993年畢業於武漢大學物理系，1998年在高能物理所獲博士學位。1998至2004年在法國國家科研中心和美國密西根大學做博士後。

自2003年起從事大亞灣反應堆中微子實驗研究，現任大亞灣國際合作組中方發言人。江門中微子實驗的提出者之一，現任項目常務副經理和國際合作組副發言人。

2012年獲國家傑出青年基金，2016年入選科技創新領軍人才，獲國家自然科學一等獎（第2完成人）等。

1年內裝完有機玻璃球

廣州日報：疫情下復工以來，項目工程進展如何？

曹俊：春節期間我們沒有停工，但是不許爆破，只有半數人員在開工；疫情防控常態化後，我們申請了儘快全面復工，疫情影響了約一個月工期。目前最大的困難是地下花崗巖滲水，平均每小時500立方米。每次點炮前都要把水堵住，但又不能完全堵住，否則會破壞洞石的穩定性。這是一件很困難的事，因為斜井長1.3公裡，斜度40%，要用幾個大泵分幾級把水從700米深的地下抽到地面。我們做了很多措施，其中一個是從頂上往下打了一個水位監測孔，我們能看到水位在不停下降，但水量還沒減少。

理想的情況是把整個洞挖完，等壓力釋放差不多後再把縫堵住，這樣水量就會變少，但能少多少也不知道，又不敢完全堵住，萬一水壓太大會把洞壓垮。可能將來水會比較少，也不排除一直有這麼多水，需要一直泵水。深井實驗室都會面臨這個問題。預計今年底可以完成土建工作。

廣州日報：土建完成後，重點就是安裝中心探測器以及配套設施？

曹俊：實驗室大廳50×80米， 已經挖了30多米，底下還有一個50×50米的圓柱空間正在挖，挖的時候會同步在地面上裝輔助設施。坑挖好後要建一個大水池，水池壁用高密度聚乙烯做內襯，做完內襯才能開始搭架子。

整個池子將保持非常高的純淨度，會有3.7萬噸的純水不停地循環， 重達2萬噸的球形液體閃爍探測器（又叫中心探測器）浸泡其中。

實驗大廳共有兩大探測器，一個是用來探測中微子的中心探測器，一個是反符合探測器（包括水池和水池鋼橋上面的塑料閃爍體探測器，主要用來剔除假中微子）。

中心探測器是一個直徑35.4米、厚12釐米的球狀有機玻璃罐。有機玻璃板要通過隧道一塊一塊運進來，在地下採用本體聚合工藝無縫粘合成一個大的有機玻璃球，這個最花時間，我們預計2021年初完成這個大球。

因為安裝有機玻璃球對材料和力學性能的挑戰性極大，幾年前我們在國內找了3家公司做研究。招標後，廠家重新改造了生產線，長3米、寬8米、厚12釐米的有機玻璃板目前已生產了一大半；板材全部生產出來後還要先窩成球形，每一塊都要用雷射測精度。

安裝後的大球將有十幾層樓高。大球裡面灌滿液閃（液體閃爍體），球內的液閃跟球外的水密度不一樣，將來要承受3000多噸的壓力，而有機玻璃球本身很軟撐不起來。因此這個有機玻璃球會裝在一個鋼架裡，鋼架有14到15層樓高。我們用500多根杆撐住這個鋼骨架，鋼骨架上還會分模塊安裝2萬個大光電倍增管和2萬多個小光電倍增管。

有機玻璃球建好後我們會往水池裡灌純水，往大球中灌液閃。我們一邊生產，一邊純化，這個過程要花半年時間。而在地面有一個很大規模的水純化設備，可以將自來水淨化成高純水。

液閃的成分主要是烷基苯，再加上一些特殊的配料製成。液閃從南京運過來後先放在地面存儲罐，等抽出來後用義大利運來的設備進行蒸餾、氣體剝離，再用國內生產的設備來過濾和水洗，分四步純化。這樣一邊生產，一邊灌裝，每小時能往球裡面灌7噸，預計到2022年底可以裝完全部探測器。

期待超新星中微子

廣州日報：江門中微子項目預計2022年建成投入使用，作為國之重器，預計會有哪些重大發現？

曹俊：中微子研究是最火熱的前沿物理。自從2012年大亞灣發現第三種中微子振蕩模式以來，世界上未來的三大中微子實驗（日本頂級神岡項目、美國DUNE項目、中國江門項目）研究的重點是宇宙正反物質的不對稱性以及三種中微子的質量順序。

江門中微子實驗將擁有世界上最大的液閃探測器，共2萬噸液閃，預計每天能捕獲到60個反應堆中微子、4個大氣中微子、1個地球中微子以及290個太陽中微子。

除了探測陽江、臺山反應堆發射的中微子、研究其質量順序和測量中微子振蕩參數外，江門中微子項目還可用於研究太陽、地球和超新星中微子，因為探測器比以前更大更先進，我們可以把以前研究過的東西看得更清楚，也可能會有超預期的發現，比如超新星研究。

超新星對於宇宙的演化非常重要。超新星中微子有兩類：超新星背景中微子和超新星爆發中微子。宇宙中超新星在不停地爆發，它們不停地來到地球，稱為超新星背景中微子，但由於距離遙遠，數量特別少，人類還沒有測到過，江門中微子實驗有可能最先測到它。它能給我們很多關於宇宙的信息，比如恆星形成的速率。

另一類是超新星爆發中微子，過程只持續10秒，人類第一次看到是1987年，由日本神岡第一代探測器看到（獲2002年物理學諾獎）。人類目前總共才看到20多個超新星爆發中微子。如果類似的近距離超新星再爆發一次，江門中微子項目將能看到5000個超新星爆發中微子。

超新星爆炸有三個主要過程：1.塌縮時中子化，只持續幾十毫秒；2.塌縮的物質撞到很硬的核上開始反彈，形成衝擊波；3.慢慢冷卻。這三個過程都會釋放出有各自特徵的中微子。超新星有不同的理論模型，差別較大，我們將來一旦測到了，可以判斷哪個理論比較合理，或者我們提出一個新的理論，可能有非常重大的發現。

超新星背景中微子我們肯定能看到，超新星爆發中微子則要看運氣， 1987年後再也沒有發生近距離的超新星爆炸事件，人類再沒有看到相關的中微子。

此前日本和美國的實驗項目只能看到電子中微子，但我們江門項目用液閃能看到全部中微子：電子中微子、繆中微子和陶中微子。這3種中微子在超新星爆發中都會起作用。

車上「聊」出來的實驗

廣州日報：江門中微子實驗項目是怎麼提出來的？

曹俊：此前大亞灣中微子實驗發現了第三種振蕩模式，其國際影響非常大，天時地利，我們中微子研究團隊走到了世界粒子物理的最前沿。

江門中微子實驗項目的提出很有意思。2007年大亞灣中微子項目才開工，中科院高能所的王貽芳所長就很有前瞻性，他當時就在想：下一步要怎麼走？2008年3月，我們坐在從深圳機場到羅湖口岸的計程車上，一路聊各種可能性，最後談到用反應堆測中微子的質量順序。我當時有兩個擔心，一個是項目花錢太多，比大亞灣項目要貴10倍；另一個是當時世界上最好的技術也做不出所需的探測器。王貽芳想了想，說「這個非常好」。他表示，我國經濟發展很快，現在覺得費用貴，再過十幾年就不覺得貴了。再花十幾年時間，所需的技術就研發出來了。於是我們回到北京就開始寫文章，從科學上規劃這個實驗。

2012年，大亞灣中微子實驗出了結果，測到的振蕩很大，使得在江門的實驗變得可行。我們馬上向中科院申請江門中微子實驗項目，第2年就立項了，後來我們就一邊設計探測器，一邊加速光電倍增管的研發。

廣州日報：據悉，大亞灣中微子實驗計劃將於今年年底退役，你從2003年起從事大亞灣反應堆中微子實驗研究，請談談在實驗中的難忘經歷，以及大亞灣項目對江門項目的影響。

曹俊：我當時在美國費米實驗室做博士後，2003年9月，王貽芳邀請我回國，那時國內搞中微子研究的很少，我第一次設計自己的實驗項目，感到很開心。王貽芳提出概念框架，我負責模擬計算，給出各項設計參數，前一兩年幾乎是我一個人在算，白天晚上都在辦公室度過。

後來參加人員和自己培養的學生都多了起來，但工作仍然高度緊張。記得2011年底，大亞灣實驗的數據分析進入關鍵階段，面臨激烈的國際競爭，整個團隊士氣高昂，爭分奪秒開展研究。有一天晚上到凌晨1時許，我突然想到一個問題，給幾個年輕人發了封郵件，沒想到一會兒就收到幾封回信討論這個問題。我說既然都沒睡，那就開個會吧，於是凌晨2時召集了視頻電話會，當場解決了這個問題。當年在大亞灣中微子項目中培養的一批年輕人，現在都成了江門中微子實驗項目的骨幹。

江門項目帶動了技術創新

廣州日報：江門中微子實驗項目帶動了國內哪些相關技術創新？

曹俊：大亞灣項目時，我們找遍了全國，確實沒有廠家能做高精度的有機玻璃罐；到了江門項目，有機玻璃球的難度又大了很多倍，但我們動員了國內最頂尖的科研力量，跟幾個廠家一起研發解決技術難題。比如有機玻璃板彎成球狀後，發現透光率下降，我們通過研究給解決了。如今我們做出了天然放射性本底最乾淨的有機玻璃板，後來連義大利的暗物質實驗項目也決定採用我們的有機玻璃板。

科學家總想把設備做得最好，工具越好，我們科學發現的能力就越強。幾乎每個系統我們都要全面調研、分析，看有可能做到什麼程度，這樣也會把生產廠家的能力推向極致，並實現突破。比如國內自主研發的光電倍增管，本來性能已經達到國際先進水平，已經在批量生產，但我們覺得還有提高的餘地，就要求廠家慢下來，邊生產邊琢磨工藝，果然後來又提升了一截，現在是世界上效率最高的。

此外還有一些很有意思的小專利，比如有機玻璃球安裝要用到14萬個螺栓，既要高強度又要高摩擦係數，國內原來沒有，現在我們也做出來了。實驗過程中每個特殊的要求都會推動廠家研發，或者我們共同去研發，以此帶動一批技術創新。

將建中微子科普基地

廣州日報：江門中微子實驗項目的國際合作情況如何？

曹俊：從大亞灣項目到江門項目，我們的國際合作上了一個檔次。大亞灣項目當時主要是中美合作，江門項目現在主要合作方有義大利、德國、法國、俄羅斯等18個國家和地區，國外有40多個單位以及300多名科學家共同參與。

廣州日報：項目建成後有沒有科普旅遊計劃？

曹俊：江門中微子實驗項目的安裝廳有幾千平方米，建設完成後這個廳會改造成一個科普館。地方政府對科普項目進行了大力支持，具體正在設計中，也有其他配套計劃的設想。

當時大亞灣中微子實驗想看的人很多，但因為建在核電站裡面，每年只有1000人可以參觀。江門中微子科普基地緊靠著地方旅遊資源，像著名的開平碉樓和赤坎鎮，參觀人數每年也許能達到10萬，特別是如果我們做出了重大科學發現的話。

（來源：《廣州日報》2020年07月31日 第12版https://gzdaily.dayoo.com/pc/html/2020-07/31/content_132790_713321.htm）