我们在700米山下，挖了一个大洞，捕捉来自宇宙的幽灵粒子| 赵洁

2021年5月22日，“科普中国-我是科学家”第34期“突破想象力！”演讲现场，中国科学院高能物理研究所副研究员、中微子和低本底探测技术研究者赵洁带来演讲：《捉住幽灵粒子，捉住1/4个世界》。

赵洁演讲视频：

以下为赵洁演讲实录：

2021.05.22 深圳

欢迎大家来到中微子的世界。今天我要讲的是《捉住幽灵粒子，捉住1/4个世界》，这个题目听起来有点科幻，什么是幽灵粒子，为什么又是1/4世界？接下来我会为大家一一解答。

我们对地球以外的宇宙有着自然的好奇，那我想问大家一个问题，观测宇宙的方式有哪些？最直接的方式莫过于抬头看天，看漫天的星辰，如果想要看得更清晰一点，我们可能需要借助一架专业的天文望远镜，除了这种直接向上的探索方式以外，我们科研工作者还会在深深的地下挖一个巨大的洞，然后等待来自宇宙的使者到达我们身边，被我们捕捉到。我们江门中微子实验计划就是在高山下面700米深的位置，挖一个十几层楼高的大洞，来捕捉来自宇宙的幽灵粒子——中微子。

中微子这个词听起来好像有点陌生，感觉和我们的生活也没有什么关系，但事实上，中微子是我们生活当中的常客，它是无处不在的。构成我们物质世界的基本粒子有12种，其中有3种，是不同类型的中微子，因此它也是构成我们物质世界的那1/4。中微子是所有基本粒子当中最小的，以我们比较熟悉的基本粒子——电子为例，电子的质量大概是10的负27次方克这样一个数量级，那么中微子有多小呢，它的质量还不到电子的百万分之一。

科学家们普遍认为，现在的宇宙来自于Big Bang，也就是大爆炸，它能够解释宇宙的起源和演化，并得到科学研究和观测的一些支持，大爆炸的时候产生了非常多的中微子，且中微子还伴随着宇宙天体的整个演化过程，比如说超新星爆发，太阳核聚变发光发热，都会产生大量的中微子；而穿梭于宇宙当中的宇宙射线，在到达地球穿过大气层时，也会产生大量的中微子；我们所居住的地球，也是一个非常大的中微子源；甚至于我们身体，由于我们体内和每天摄入的食物里面富含有钾元素，因此人体也是一个中微子源，每个人每天都能释放出3亿多个中微子。除了这些天然的中微子源以外，中微子还可以被人工造出来，比如说反应堆的核裂变，加速器的束流打靶，都是可以产生中微子的。

现在我们知道，中微子在我们周围甚至在整个宇宙当中都是普遍存在的，那为什么我们却感觉不到它的存在呢？实验发现，中微子有一个非常神奇的特性，它具有极强的穿透性，比如每十万亿个太阳放出的中微子，在穿过地球的过程中，仅有一颗中微子，是有可能和地球发生相互作用的，所以说中微子被称为宇宙的幽灵粒子。

与地球反应的中微子非常稀少 | Fermilab

这意味着，以人体为例，每秒钟都有万亿个中微子穿过身体，而我们没有任何感觉，如果中微子没有这种隐身特性的话，那我们现在就不可能安稳地坐在这儿了，人体瞬间就会被万亿个中微子打成一个筛子。

中微子的这个特性也使得它很难被捕捉到，它在1930年被沃尔夫冈·泡利所预言，但直到历时26年以后，才被弗雷德里克·莱因斯和克莱德·科温，两位物理学家在反应堆旁边给捕捉到了，直接证实了中微子是实际存在的，发现者也获得了诺贝尔物理学奖。

中微子的发现，使中微子的研究变得火热起来，在几十年的不断探索中，科学家们发现中微子不仅会隐身，它还会变身，什么意思呢？中微子在接近光速的传播过程中，它能够从一种类型的中微子，转变成另外一种类型的中微子，更神奇的是它还能够变回它自己，我们称这种现象叫中微子振荡现象，举个例子，一家有三姐妹，老大、老二和老三，老大在路上走得好好的，走着走着却变成了老二，这有点像中微子第一种振荡模式，它是被加拿大的SNO实验，通过观测太阳放出的中微子而观测到的。

左：SNO实验阿瑟·麦克唐纳；右：超级神冈实验梶田隆章 | Nobel Media AB. Photo

老二继续往前走，她走着走着又变成了老三，有点像中微子的第二种振荡模式，它是被日本的超级神冈实验，通过观测大气产生的中微子而观测到的，这两个实验也因为直接观测到了中微子振荡，证明中微子是有质量的，而获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

刚才我提到过，中微子有三种类型，很自然地人们就会问，老大能不能直接变成老三？也就是，中微子是否存在第三种振荡模式？第三种振荡模式是否存在，或者这种概率是否足够大，将直接决定着能否在现有技术基础上去研究中微子的其他未知性质，以及解决宇宙正反物质不对称之谜等等。

基于验证中微子第三种振荡模式的重要性，国际多个国家提出了很多的实验方案——

8个探测第三种振荡模式的反应堆 | 地图素材来自www.rawpixel.com

这张图中列出来的是8个反应堆实验方案，里面也包括中国的大亚湾实验，在大亚湾实验之前，我国没有经验建设中微子探测器，而竞争对手来自美国、日本、欧洲等发达国家，他们有经验非常丰富的团队。但是大亚湾有非常好的先天地理优势，所以美国人放弃在自己本土搭建探测器，带着人和钱，加入到我们的大亚湾实验当中。图中虽然有非常多的实验方案，但因为各种原因，有的没有正常开展或者运行，最终参与角逐的只有法国的Double-Chooz，韩国的RENO，还有中国的大亚湾实验，谁最先测到第三种振荡模式，谁就能够赢得这场重量级的全球竞赛。

大亚湾实验，因为建设在广东省大亚湾核电站附近而得名，十年前我作为大亚湾实验的亲历者，有幸参与到最后的建设当中。2011年年底的时候，按照原本建设8个探测设备的计划，我们只建成了6个，但当时的国际竞争可谓到了争分夺秒的阶段，因为韩国的RENO实验已于当年的8月份开始取数，随时有可能公布成果，我们大亚湾实验合作组当机立断，下决心提前启动装置，捕捉中微子。

记得很清楚，那是2011年12月24日，也就是圣诞节的前一天，我们大亚湾实验开始6个探测装置的取数，最终证明这是一个非常聪明的决定，我们观测到了反应堆中微子振荡，领先于另外两个实验，第一次看到了中微子第三种振荡模式，这一重要成果入选了美国科学杂志评选的2012年度十大突破，并被赞誉为中国有史以来最重要的物理学成果。2016年的国际基础物理学突破奖，颁给了五个中微子振荡实验，其中也包括大亚湾实验，这是中国科学家和以中国科学家为主的实验团队首次获得这个奖项。同时我们也获得了国家自然科学一等奖、未来科学大奖等等。

在获得这一重要成果后，我们在2012年的夏天暂停取数，完成了剩余探测设备的安装，开始对中微子振荡进行精确测量。十年磨一剑，2003年我们首次提出了实验方案，到2012年我们发现了重要的物理学成果，我国在中微子实验领域从零起步，一步步走到了国际领先的水平。

大亚湾实验于2020年光荣退役 | 刘悦湘供图

去年底，大亚湾实验退役了，但是大亚湾实验不是终点而是起点，因为中微子世界还有非常多的未解之谜，比如中微子的绝对质量有多少，三种中微子谁重谁轻，能否利用中微子解决宇宙中正反物质不对称之谜？大亚湾的重要成果，为下一代中微子实验打开了一扇门，使得我们可以在现有技术的基础上，进一步研究中微子性质。

刚才我们提到，中微子是基本粒子当中最小的，它的质量还不到电子的百万分之一，现在国内外还没有任何实验，能够测量到它的绝对质量是多少，但是我们可以通过测量中微子振荡现象，来得到两种中微子的质量差，从而可以对三种中微子进行质量排序。

世界上用于质量测序的实验方案地 | 地图素材来自www.rawpixel.com

针对这样一个未解的科学问题，新一轮的国际竞争再次展开，这张图中列出来的，都是可以用来测量质量顺序的实验方案，其中包括美国、欧洲、日本、印度，还有在我们中国的江门中微子实验。江门中微子实验建造在广东省江门市，计划在开平打石山下700米深的位置，挖一个十几层楼高的大洞，用来捕捉来自宇宙和反应堆的中微子。相比大亚湾实验，我们江门实验的探测设备，比大亚湾要大了一千倍，这对我们来说是一个非常大的挑战。

讲了这么多，大家可能很好奇，中微子会隐身还会变身，那是怎么被捕捉到的？我们捕捉中微子不是靠肉眼去看，因为在所有的基本粒子当中，除了特定波长的光子以外，其他的粒子都是肉眼不可见的，我们需要借助于极精密的仪器去探测它，把它们身上携带的信息，转化成我们可以看得懂的量，这样我们就看到它了，接下来一个视频演示，来展现中微子在我们的探测器里面是什么样子。

视频由江门实验合作组中山大学软件组提供

当外界一个中微子打到探测器里面，它有一定概率，可以和探测介质发生相互作用，同时会发出微弱的荧光，这个荧光被周围极灵敏的光学器件捕捉到，并放大一千万倍，我们就看到这个中微子了。大亚湾实验是建造在本土的实验，这样先天的优势使得我们可以培养出一批国际一流的科学家，并且积累丰富的经验。但相比大亚湾实验，江门实验的探测装置毕竟大了一千倍，自然也有非常多的技术难点和挑战，刚才提到过中微子发出的微弱信号，是被遍布周围的光学器件捕捉到的，这就要求我们有非常好、极其精密的光学器件去探测它，这种光学器件是光电倍增管。

用于捕捉信号的光电倍增管 | 刘悦湘供图

在江门实验之前，这种高品质20英寸光电倍增管，只有日本一个厂家可以生产，价格是极其昂贵的，也是制约实验进度的一个重要因素。于是我们下定决心自主研发，经过十年时间，我们研发出了国际一流的光电倍增管，并且大批量地用在了江门实验当中，极大地降低了实验成本。

中微子虽然非常多，但它具有极强的穿透性，所以最终能被捕获的只是凤毛麟角，而周围的环境、天上的宇宙线，还有探测器的材料等等，都可以带来非常多的非中微子事例，数量远远大于中微子数量。

寻找中微子如同在无数黄豆中找一颗绿豆 | 图虫创意

举个形象的例子，我们寻找中微子，就如同在一百万颗黄豆里面去挑一颗绿豆，要想快速准确地挑出中微子这颗绿豆，就需要尽最大可能压低黄豆数，我们把这么一个巨型的探测器，安装在深深的地下，一个重要目的就是降低来自宇宙射线的非中微子事例。我的主要工作，就是尽最大的可能去降低江门探测器材料所带来的非中微子事例，为江门实验保驾护航。

江门探测器结构示意图 | 江门实验合作组供图

这张图是我们江门探测器的一个结构示意图，十几层楼高的巨大水晶球，是由600吨高透明度有机玻璃搭建而成，里面将要灌装2万吨最透明的液体闪烁体，用来捕捉中微子。这个液体要多透明呢？大家可以想象一下，两万吨的液体里面，如果混入0.01克灰尘，这个液体就是不合格的。这么一个巨型水晶球，被一千吨最干净的不锈钢支撑起来，并浸泡在3.5万吨超级纯净的水里面，所有这些措施都是为了降低周围环境、岩石、残余宇宙射线带来的非中微子事例。

值得骄傲的是，江门探测器的所有主材料，全部高质量地实现国产化，极大地降低了我们实验的成本。

江门实验在2015年1月开始破土动工，在挖掘的过程中也遇见到了非常多未预料到的问题。

动工过程中遇到地下漏水问题 | 刘悦湘供图

最为严重的就是如上图所示的地下漏水问题，严重影响了我们的施工进度。经过6年艰苦卓绝地挖掘，克服现场种种困难，最终我们在地下挖出了实验大厅。

通往地下实验室的斜井隧道 | 刘悦湘供图

这两张图就是通往地下实验厅的斜井隧道。

江门实验实验大厅 | 刘悦湘供图

这张图是我们在700米山下，挖出的40多米高的一个实验大厅。

在实验大厅底部焊接不锈钢 | 刘悦湘供图

这张图是我们正在实验大厅底部去焊接不锈钢。计划在今年秋天，开始探测器主结构的搭建。

盛放最透明液体的不锈钢容器 | 刘悦湘供图

这张图是我们用来盛放两万吨最透明液体的不锈钢容器，图中工作人员穿戴洁净服，已经完成了对整个容器的清洁工作，计划在明年秋天开始液体的灌装。

江门实验计划2023年开始取数 | 刘悦湘供图

现在江门实验正在火热地建设当中，计划2023年开始取数。我们目前对于中微子的研究还主要集中于它的基本性质测量，也就是停留在基础科学层面。但是，今天的科学是明天的技术，中微子独特的性质，使得它有可能会为未来通信和维护人类和平做出重要贡献。但从基础科学到技术转化，这是需要一代代科学家持续努力的。

让我们拭目以待吧，谢谢大家。

演讲嘉宾赵洁：《捉住幽灵粒子，捉住1/4个世界》 | 拍摄：Vphoto

作者：赵洁

监制：吴欧

策划：吴欧

编辑：酥鱼 蔡祎

排版：尹宁流

校对：蔡祎

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