12层楼高的“水晶球”

文章作者:管理一号 | 2019-03-20
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两座核电站之间,700多米深的花岗岩下,正开掘一个巨大的空泛,包容一个12层楼高的“水晶球”。来自球中的一次次闪耀,将吐露中微子的身世隐秘。

 

两座核电站之间,700多米深的花岗岩下,正开掘一个巨大的空泛,包容一个12层楼高的水晶球。这个水晶球,将浸泡在一个灌有3万吨纯真水的池里,被钢架栓牢。圆柱体的水池,直径43.5米,深44米。水池上方是各种丈量设备。中科院高能物理所供图

坐落广东的正在缔造的江门中微子试验设备,是我国史无前例的最杂乱的高能物理试验设备。与其时最好的国际同类设备比较,它的规划大20倍,精度行进近一倍。

国际最大的有机玻璃球

 

中微子被称为鬼魂粒子,为侦测它,人类不得不大费周章。现在,江门地下中微子试验观测站(JUNO)被物理学家寄予厚望:准确地丈量中微子的一些根柢特性。

国际里处处都是中微子。每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。中微子很难跟其他物质反响,穿行国际如入无物之阵。现代的中微子试验都会用巨量的靶物质作为圈套,行进捕获中微子的几率。

JUNO的中心,是一个直径35.4米,厚12厘米的空心有机玻璃球。造这么大,是因为里边要灌上2万吨的液体(叫做液闪)作为靶物质。

这是人类造过的最大的有机玻璃球。中科院高能物理所所长王贻芳曾通知科技日报记者,现在国际上用于粒子物理的有机玻璃球,比它小20倍;水族馆的有机玻璃水箱也比它小得多。

这个水晶球的含义,是用通明的介质,分隔里边的液闪和外面的水。中科院高能物理所研讨员曹俊说,这个有机玻璃球有必要十分通明,一起健旺。

“12层高的空球,就像房子相同或许垮塌。其他资料造不出来,用有机玻璃也很难。因为有机玻璃很简单裂。”曹俊说,“没有造这种球的国家规范。咱们自己缔造了一个力学试验室,自己做出一套规范。”

这个水晶球的准备工作现已安排稳妥。当试验大厅开掘结束后,它将在现场建立, 因为几十米的球无法通过地道。

最大的地下人工窟窿

 

JUNO的老一辈是大亚湾中微子试验设备。它们都运用了核裂变反响开释的海量中微子。不同的是,大亚湾侦测的是一个核电站的中微子;而JUNO则一起运用两个核电站,10个反响堆的中微子。

坐落广东的阳江核电站将建6个反响堆,台山核电站将建4个反响堆。JUNO间隔两者都是53公里。

曹俊通知记者,如勘探器到多个反响堆的间隔不相等,中微子能谱上的小结构就会互相抵消(就像正弦信号的波峰波谷会抵消)。依据核算,应在间隔两个核电站均为53公里的一个宽200米长2公里的矩形区域设置勘探器。

53公里很远,从反响堆来的中微子流会变弱。所以,JUNO与大亚湾勘探器比较,靶物质增重一千倍。JUNO的大玻璃球,将浸泡在一个灌有3万吨纯真水的池里,被钢架栓牢(以打败3000吨的浮力)。圆柱体的水池,直径43.5米,深44米。水池上方是各种丈量设备。

包容这一切需求一个直径50米、高70米的巨型大厅。JUNO被规划在700多米的花岗岩山体下,以屏蔽国际射线干扰。

为此,JUNO正在山里凿出国内最大的地下窟窿。这也带来了许多费事,打地道和开挖大厅,都碰上了涌水,这使土建工程呈现延期问题。项目组一边灌浆堵水,一边抽水。他们不敢悉数堵住出水点,防止窟窿外围承压太大带来垮塌危险。

精心分配的液体

 

中微子是这样被侦测到的:一个中微子撞上了一个质子,就化为一个中子和一个正电子。正电子随即湮灭放出一道光。中子则参加某个原子核,不稳定的原子核很快割裂并放出γ光子。因而,一先一后两道光,便是中微子磕碰的痕迹。

科学家制备液闪,要它具有三个性质:质子特别多(发明机会让中微子撞);特别通明(微光能射出去);尽量不带放射性(防止宣告没用的信号)。

大亚湾试验中,我国科学家分配出了其时国际上最好的液闪。而在JUNO,他们改进了配方,液闪质量达到了新高。

这种液闪主体是烷基苯,加上一些特别的配料。它比纯真的游泳池还要通明得多,光线穿过几十米,衰减不大。

曹俊说,为下降液体天然的放射性杂质(比方气态的氩、氪、氡,或固态的铀),要通过三氧化二铝过滤、减压蒸馏、水萃取、蒸汽剥离一系列工序,恰当于把几万吨的液体“洗一遍、蒸一遍”。

实际上,JUNO的有机玻璃球资料,以及其他各种器件的资料,也要通过处理以消除放射性。

看到微光

 

JUNO在丈量中微子的一起,也会接收到许多的无用信号。水池和水池顶部的一些勘探器,便是用来专门勘探国际射线,以将相关信号清扫出去。

曹俊介绍说, 2万吨液闪每天只能捕获到60个反响堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子、以及90个太阳中微子。与之比较,虽然山体遮挡让国际射线强度下降20万倍,国际射线干扰信号每天仍有10万次。

JUNO装了四万多只国际上最活络的眼睛——18000个20英寸的和26000个3英寸的光电倍增管。光电倍增管能够将细小的光转化为电信号。因为JUNO要求极高的能量分辨率,之前的商业产品达不到规范。为此国内几家企业和研讨所联合攻关,现已研制出勘探功率国际最高并且廉价的产品。

光电倍增管外形像大灯泡,内部是真空的,多年泡在水池里是有危险的。科学家考虑到:假定某个“灯泡”裂一点缝,水瞬间吸入真空,在空间中心反弹,会构成激波。这种波破坏力极大,会引发连锁反响,销毁其他的光电倍增管。

为此,他们给光电倍增管特制了一种保护罩,即便受损,水也不会急速涌入构成激波。

“处理这些问题,喜爱物理的科学家或许觉得不那么好玩,比较繁琐。但要做出比较重要的科学作用,有必要要承当这些费事。”曹俊说。

在粒子物理规范模型中,中微子是没有质量的,而中微子振动标明它具有质量,这是一个超出规范模型的试验现象(暗物质是另一个规范模型无法解释的谜题)。所以中微子研讨是现有理论的一个突破口。

JUNO或许在2021年试运行。它将以恰当高确实信度,答复至关重要的“中微子质量次序”的问题,并准确丈量多个中微子参数,为物理学大厦添上重要的一块砖。

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