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深藏地下700米的“巨型西瓜”？去神秘實(shí)驗(yàn)室尋找“幽靈粒子”

2023-07-31 11:50:20 來(lái)源：央視新聞客戶端

在廣東江門(mén)的大山深處，大科學(xué)裝置――江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置正在緊張建設(shè)中。這個(gè)深藏在地下700米的實(shí)驗(yàn)室所研究的是宇宙中的一種“幽靈粒子”――中微子。

(相關(guān)資料圖)

這個(gè)神秘的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)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(jí)實(shí)驗(yàn)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(wú)處不在。每秒間，就有700億個(gè)中微子從我們的指縫中穿過(guò)。然而，捕捉它并非易事。中微子個(gè)頭小、不帶電、來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤，可輕易穿透人體和地球，被人叫作“幽靈粒子”。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室正是國(guó)家為研究中微子而建設(shè)的大科學(xué)裝置。對(duì)其展開(kāi)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(mén)？

核反應(yīng)堆是地球上產(chǎn)生中微子最集中的位置。江門(mén)市距離陽(yáng)江、臺(tái)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(shí)驗(yàn)樣本。

可以說(shuō)，這里是目前全球最適合做中微子實(shí)驗(yàn)的地方。

實(shí)驗(yàn)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(huì)干擾對(duì)中微子的探測(cè)。700米的山體和巖層就相當(dāng)于過(guò)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(hào)。

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

創(chuàng)下多項(xiàng)世界之最

這個(gè)神秘的實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)什么樣

不同于一般的實(shí)驗(yàn)室，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置的主體就像一只泡在冰水中的西瓜。

△江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)最大的單體不銹鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由12萬(wàn)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(jiān)固性。科研人員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(diǎn)兒拼接的痕跡。

△建造中的有機(jī)玻璃球

整個(gè)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(cè)器。但是，想要捕捉到中微子的身影，還需要一個(gè)關(guān)鍵部件↓

“幽靈粒子”究竟怎么測(cè)

4.5萬(wàn)只“黃金眼”是關(guān)鍵

江門(mén)中微子探測(cè)器研制最難的一道關(guān)，就是被稱為最靈敏的“探測(cè)器眼睛”的4.5萬(wàn)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并放大1000萬(wàn)倍，從而獲取到其能量、位置等信息，交由計(jì)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(guó)外一家公司可以生產(chǎn)，售價(jià)一般在5萬(wàn)元到6萬(wàn)元一只，采購(gòu)成本極高。當(dāng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)光電倍增管?chē)?guó)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(guò)我國(guó)科研人員的苦心鉆研，2020年，1.5萬(wàn)只光電倍增管全部出廠并通過(guò)驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，也打破了國(guó)外30多年的壟斷。

如今，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置中心的有機(jī)玻璃球就會(huì)被液體閃爍體充滿，在未來(lái)的二三十年間，將再也不會(huì)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(guó)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(jué)丨楊璐素材支持丨中國(guó)科學(xué)院高能物理所劉悅湘特別鳴謝丨中國(guó)科學(xué)院高能物理所

[ 責(zé)編：宮辭]

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