8月26日，已完成2萬噸液體閃爍體灌注的江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）正式運(yùn)行取數(shù)。經(jīng)過十余年的準(zhǔn)備和建設(shè)，JUNO成為國際上首個(gè)運(yùn)行的超大規(guī)模和超高精度中微子專用大科學(xué)裝置。“完成JUNO探測器灌注并開始運(yùn)行取數(shù)，是一個(gè)歷史性的里程碑。它將使我們能夠回答關(guān)于物質(zhì)和宇宙本質(zhì)的基本問題?！盝UNO合作組發(fā)言人王貽芳表示。
JUNO在試運(yùn)行期間首批獲取的數(shù)據(jù)顯示，其探測器關(guān)鍵性能指標(biāo)全面達(dá)到或超越設(shè)計(jì)預(yù)期，這使JUNO能夠著手解決粒子物理學(xué)領(lǐng)域未來十年內(nèi)的一個(gè)重大問題：中微子質(zhì)量排序——即第三種中微子（ν?）是否比第二種（ν?）更重。
歷經(jīng)十年建設(shè)，可捕捉“幽靈粒子”
中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子之三（電子中微子、繆中微子和陶中微子）。中微子的質(zhì)量非常輕，以接近光速運(yùn)動(dòng)。宇宙中充斥著大量的中微子，大部分為宇宙大爆炸的殘留。
中微子無處不在，恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、超新星的爆發(fā)、核反應(yīng)堆的運(yùn)行，以至于巖石中的放射性物質(zhì)衰變，都產(chǎn)生大量中微子。但是，由于中微子與普通物質(zhì)的相互作用很弱，它們可以輕松穿過人體、建筑甚至整個(gè)地球而不被任何物質(zhì)吸收，不容易被檢測到。因此，中微子也被稱為“幽靈粒子”。
JUNO探測器位于廣東省江門市附近的地下700米處，可以探測53公里外臺(tái)山和陽江核電站產(chǎn)生的中微子，并以前所未有的精度測量它們的能譜。與國際同類實(shí)驗(yàn)相比，JUNO對質(zhì)量順序的測定不受地球物質(zhì)效應(yīng)和其他未知中微子振蕩參數(shù)的影響，并將顯著提高6個(gè)中微子振蕩參數(shù)中的三個(gè)參數(shù)的精度。JUNO實(shí)驗(yàn)使科研人員能夠?qū)碜蕴?、超新星、大氣和地球的中微子開展前沿研究，并將開啟探索未知物理的新窗口，包括對不活躍中微子和質(zhì)子衰變的搜尋。
江門中微子實(shí)驗(yàn)由中國科學(xué)院高能物理研究所于2008年提出構(gòu)想，2015年啟動(dòng)隧道和地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。2021年12月，完成實(shí)驗(yàn)室建設(shè)并開始了探測器在地下實(shí)驗(yàn)室的安裝建設(shè)，2024年12月，探測器主體建設(shè)完成并開始灌注超純水與液體閃爍體。
在灌裝過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首先在45天內(nèi)完成超過6萬噸超純水的灌注，將內(nèi)外有機(jī)玻璃球的液位差控制到厘米量級，流量偏差不超過0.5%，有力保障了探測器主體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。隨后歷經(jīng)半年的精細(xì)操作，將2萬噸液體閃爍體精準(zhǔn)注入直徑35.4米的有機(jī)玻璃球內(nèi)，并同步完成原有純水的置換。尤為關(guān)鍵的是，超純水與液體閃爍體的超高潔凈度、透明度和極低放射性本底等特殊要求全部得到滿足。與此同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成了探測器的調(diào)試優(yōu)化，確保了探測器在灌注完成后立刻進(jìn)入正式運(yùn)行取數(shù)階段。
JUNO設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)30年
JUNO的核心探測器為有效質(zhì)量達(dá)2萬噸的液體閃爍體探測器（中心探測器），安置于地下實(shí)驗(yàn)大廳44米深的水池中央。直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼作為主支撐結(jié)構(gòu)，承載了包括35.4米直徑的有機(jī)玻璃球、2萬噸液體閃爍體、2萬只20英寸光電倍增管、2.5萬只3英寸光電倍增管以及前端電子學(xué)、電纜、防磁線圈和隔光板等眾多關(guān)鍵部件。遍布探測器內(nèi)壁的光電倍增管協(xié)同工作，探測中微子與液閃相互作用產(chǎn)生的閃爍光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
中心探測器內(nèi)部的有機(jī)玻璃球及光電倍增管。中國科學(xué)院高能物理所供圖
JUNO總工程師馬驍妍表示，建設(shè)JUNO是一段充滿非凡挑戰(zhàn)的旅程。這不僅需要新的想法和技術(shù)，還需要多年的精心規(guī)劃、測試和堅(jiān)持。滿足材料純度、穩(wěn)定性和安全性等嚴(yán)格要求，需要數(shù)百名工程師和技術(shù)人員的奉獻(xiàn)?！皥F(tuán)隊(duì)協(xié)作使這個(gè)大膽的設(shè)計(jì)變成了一個(gè)功能齊全的探測器，如今它已經(jīng)準(zhǔn)備好為中微子世界打開一扇新的窗口?！?/p>
JUNO的設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)30年，后期可升級改造為世界最靈敏的無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)。這樣的升級可探測中微子絕對質(zhì)量，檢驗(yàn)中微子是否為馬約拉納粒子，從而解決粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)的前沿交叉熱點(diǎn)難題，并深刻影響人們對宇宙的理解。
新京報(bào)記者 張璐
編輯 張磊 校對 賈寧
