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贝博bb登陆中心:喜迎二十大丨在江门,深入地下700米探索宇宙奥秘

来源:南方杂志微信公众号点击:时间:2022-09-16 10:35:01

经济大省要勇挑大梁。

稳字当头、稳中求进,是今年广东发展的总基调。稳的定力底气何在?进的信心从何而来?重大项目,是扩内需稳增长的“压舱石”。

拉开虎年发展大幕,重大项目“引擎”强劲发力、开启发展新局。《南方》杂志记者蹲点广东重大项目,感受着广东发展的底气和韧性,见证着稳中求进的动力和信心,触摸着百姓民生的关切和温度。

《南方》杂志推出《大项目 大引擎——蹲点重大项目见新局》系列报道,见证广东乘风破浪开新局的生动场景。

第二站

【蹲点】江门

【重大项目】江门中微子实验室

【画像】粒子物理是当前最重要的前沿科学之一。江门中微子实验室的建设,将奠定中国中微子研究领域的国际领先地位,为粤港澳大湾区综合性国家科学中心建设提供重要支持。

江门中微子实验室的项目团队完成多项技术攻关,实现了多个“世界之最”。图为正在建设中的实验设备中心探测器。江门中微子实验室供图

每秒钟,大约有1000亿个宇宙“隐身人”通过我们身体指甲盖大小的面积,我们却完全感知不到它们的存在,神奇不神奇?

这个“隐身人”就是构成物质世界最基本的粒子之一中微子。它在宇宙中无处不在, 极小极轻,质量小于电子的百万分之一,以接近光速运动,检测非常困难,被称为“幽灵粒子”。但中微子对我们整个宇宙的起源、演化以及太阳和地球的能量来源都起着非常重要的作用。

过去的上百年里,中微子研究一直是物理界的热门学科。自上世纪30年代人类发现中微子到现在,在中微子领域颁发的诺贝尔奖就已经有4次。

在江门开平市金鸡镇地下700米深处,一个迄今世界最大的实验洞室内,一系列先进的科学设备正在紧张安装中,其目的正是为了捕捉和测量“幽灵粒子”——中微子。这就是江门中微子实验室。江门中微子实验室是由中科院和广东省共同建设的大科学装置,预计2024年建成运行后,将成为国际中微子研究的中心之一。

今年广东省政府工作报告提出,强化战略科技力量。其中包括加快江门中微子实验室等建设,开工建设散裂中子源二期等项目,打造学科集中、区域集聚的世界一流重大科技基础设施群。“江门中微子实验室的建设,将奠定中国中微子研究领域的国际领先地位。” 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说。

攻克“世界级”关键技术难题

以阳江核电站、台山核电站为中心,分别画一个半径53公里的圆圈,其在陆地上的交会点就是江门中微子实验室所在的区域。

为什么是这里?李小男介绍:“我们考察了多个地方,最后很幸运地找到了开平这个地方。”

李小男告诉《南方》杂志记者,一方面,核反应堆发电会产生大量中微子,因此实验室一般选址在核电站附近。研究表明,距离反应堆53公里处中微子振荡效应最明显、最容易捕捉,而金鸡镇就位于阳江、台山核电站各53公里处。目前,阳江、台山核电站有效的反应堆群功率位居世界第一。反应堆功率越大,释放的中微子就越多。

另一方面,日常环境中存在大量的宇宙射线,如果不加任何屏蔽,它们在探测器中产生的信号将比稀有的中微子信号多上亿倍。因此,中微子探测器需要放在很深的地下,用岩石来阻挡宇宙射线。“再加上地下洞室跨度达到50米,需要靠岩体自身结构来支撑,这要求岩体必须是很坚硬的花岗岩,而金鸡镇打石山正好满足所有条件。”李小男说。

走进江门中微子实验室,只见群山环绕,周围的环境格外安静。目前,实验室地面办公楼、装配大厅、宿舍楼、食堂,以及地下实验大厅、实验水池及附属洞室开挖建设工程等配套基建工程已于2021年末基本完成。

乘着缆车,在幽闭黑暗的环境里快速下降10分多钟,就来到地下700米左右。从缆车出来,沿着坑洞再走数百米,转过几个弯,一个水平跨度达50米左右、穹顶高数十米的巨大圆形洞室呈现在记者面前。洞室里面,一个同样巨大的球形不锈钢结构已经搭建完成。

李小男介绍,实验设备叫做中心探测器,主要是在一个直径35.4米的有机玻璃球里灌上2万吨的液体闪烁体,外壁布满数万个光电倍增管,共同探测中微子被“俘获”时产生的闪烁光。整个中心探测器浸泡在约3.5万吨高纯水的水池中。目前,实验设备安装阶段有机玻璃安装升降平台及不锈钢网壳已经安装完成,正进行中心探测器有机玻璃安装。

 “整个实验,对于液体闪烁体、高纯水的透明度等都提出了极高的要求,对有机玻璃球的质量和透明度也要求极高。”李小男解释,在这个35.4米直径的探测器中,中微子碰撞液闪产生的光子至少要能够在液闪中跑20米,这就需要极高的透光度。

在建设过程中,江门中微子实验室项目团队不断克服困难,攻克了探测器研制的诸多关键技术难题,实现了多个“世界之最”:世界最大的有机玻璃容器(直径35.4米)、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>30%)、世界最透明的液体闪烁体(衰减长度>20米)。

在江门中微子实验室办公楼会议室内,《南方》杂志记者看到一个“巨大的灯泡”。李小男介绍,这个“灯泡”是中国自主研发的20英寸的微通道板型光电倍增管,用于放在有机玻璃球的外壁钢架上“捕捉”中微子信号,整个中心探测器将放置约1.8万个20英寸的光电倍增管。

基建方面的挑战同样巨大。要在地下700米开挖一个跨度50米的地下洞室,不能有一根柱子支撑,这在国内国际上都几乎没有先例。几年来,施工人员克服严重的涌水、断层等困难,最终在2021年12月完成基建工作。

奠定中国中微子研究领域的国际领先地位

中微子研究是国际粒子物理研究的热点。1998年日本超级神冈实验和2001年加拿大SNO实验证明了中微子振荡现象,间接证明了中微子具有微小的质量,对粒子物理、天体物理与宇宙学具有重大影响。

中微子有三种。原则上,三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。然而,第三种中微子振荡模式一直未被发现。

李小男介绍,我国的中微子研究起步于2003年开始筹建的大亚湾反应堆中微子实验室。这个由中国人主导的实验成功发现了中微子的第三种振荡模式,成为我国中微子研究的里程碑,实验成果获得了2016年度国家自然科学奖一等奖。

大亚湾实验完成了精确测量中微子第三种振荡模式的历史使命,使得在当前阶段测量中微子质量顺序和CP相位角成为可能,国际上纷纷制订研究计划以测定中微子质量顺序,江门中微子实验室的建设被提上日程。中国科学院于2013年以战略性先导科技专项立项,与广东省共建江门中微子实验室。

从液体闪烁体的重量来看,江门中微子实验室规模达到了大亚湾中微子实验室的1000倍,建成后将成为世界上最大最先进的液体闪烁体中微子实验室。

在江门中微子实验室办公楼,《南方》杂志记者看到,墙上鲜明地标示出“下一个挑战:中微子质量顺序”。

“如果说大亚湾实验室是中微子研究的起步阶段,那么江门中微子实验室则是跨越阶段。”李小男说,大亚湾实验证明了中微子是有质量的,江门实验就是要测出来三种中微子的质量顺序,这对于目前中微子研究是最关键最需要回答的问题,对于研究宇宙起源等起到重要作用。

“江门中微子实验室的建设,将奠定中国中微子研究领域的国际领先地位。”李小男说。

李小男告诉《南方》杂志记者,下一步,实验室将继续加快中心探测器的安装及测试,争取按计划完成实验装置的安装。同时,实验室将紧抓中微子实验室运行的有利契机,扎实做好中微子科普馆的谋划,全力把科普馆建设为集科研、科普、研学、商务、旅游于一体的创新型科普基地。

有力支撑粤港澳大湾区综合性国家科学中心建设

今年广东省政府工作报告提出,“强化战略科技力量”“打造学科集中、区域集聚的世界一流重大科技基础设施群”。报告还提出,实施基础与应用基础研究十年“卓粤”计划,将1/3以上的省级科技创新战略专项资金投向基础研究。

据了解,江门中微子实验室基建配套工程方面总投资约7.3亿元,实验设备安装方面总投资约20亿元。作为中科院在广东部署建设的5个国家重大科学装置之一,以及纳入国家“十四五”规划的广东5项重大科技基础设施之一,江门中微子实验室将为粤港澳大湾区综合性国家科学中心建设提供重要支持。

李小男介绍,江门中微子实验室与中山大学、东莞理工学院、五邑大学等诸多广东高校均有合作。“大科学装置的带动面很广,比如我们在核电站附近设置了小型的液闪探测器,交由五邑大学负责。通过类似的方式,我们可以为广东的高校培养相关的基础研究人才。”

江门市科技局有关负责人透露,为进一步拓展中微子实验项目的前沿科学科普功能,目前江门市正与江门中微子实验室合作,积极筹建中微子科普馆,打造成青少年研学基地、全国科普教育基地,依托科普馆进一步打造科普小镇。

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