香港文匯報訊（記者 劉凝哲 北京報道）中微子是組成物質世界最基本的粒子之一，因極難探測而被稱為「幽靈粒子」。香港文匯報記者昨日從中國科學院高能物理研究所獲悉，江門中微子實驗（JUNO）已成功完成2萬噸液體閃爍體灌注，並正式運行取數。位於地下700米的JUNO已成為國際上首個運行的超大規模和超高精度中微子專用大科學裝置，科學家估計，JUNO一天可以「捉」到大約60個「幽靈粒子」，其試運行期間首批獲取的數據顯示，探測器關鍵性能指標全面達到或超越設計預期，這使JUNO能夠着手解決粒子物理學領域未來十年內的重大問題——中微子質量排序。通過大科學裝置認識、研究中微子，對於粒子物理、天體物理、宇宙學等基礎科學領域具有重要意義。
作為組成物質世界最基本的粒子之一，中微子共有三種，分別是電子中微子，繆中微子和陶中微子。大多數粒子物理和核物理過程都能產生中微子，例如核反應堆發電（核裂變）、太陽發光（核聚變）、天然放射性（貝塔衰變）、超新星爆發、宇宙射線撞擊大氣等。人們周圍充斥着大量中微子，每秒鐘約有1千萬億個來自太陽的中微子穿過每個人的身體，但由於它幾乎不與物質發生反應，中微子有大量謎團尚未解開，是發現新物理最重要的突破口之一。
將開啟探索未知物理新窗口
JUNO探測器位於廣東省江門市附近的地下700米處，可以探測53公里外台山和陽江核電站產生的中微子，並以前所未有的精度測量它們的能譜。與國際同類實驗相比，JUNO對質量順序的測定不受地球物質效應和其它未知中微子振盪參數的影響，並將顯著提高6個中微子振盪參數中的三個參數的精度。JUNO實驗使科學家能夠對來自太陽、超新星、大氣和地球的中微子開展前沿研究，並將開啟探索未知物理的新窗口，包括對不活躍中微子和質子衰變的搜尋。
去年底探測器主體建設完成
JUNO的核心探測器為有效質量達2萬噸的液體閃爍體探測器（中心探測器），安置於地下實驗大廳44米深的水池中央。直徑41.1米的不鏽鋼網殼作為主支撐結構，承載了包括35.4米直徑的有機玻璃球、兩萬噸液體閃爍體、兩萬支20英寸光電倍增管、兩萬五千支3英寸光電倍增管以及前端電子學、電纜、防磁線圈和隔光板等眾多關鍵部件。遍布探測器內壁的光電倍增管協同工作，探測中微子與液閃相互作用產生的閃爍光，並將其轉換為電信號輸出。
據介紹，JUNO的構想由中國科學院高能所2008年提出，2013年得到中國科學院戰略性先導科技專項（A類）支持，並在同年得到廣東省支持，2015年啟動隧道和地下實驗室建設。2021年12月完成實驗室建設並開始了探測器在地下實驗室的安裝建設，2024年12月探測器主體建設完成並開始灌注超純水與液體閃爍體。
確保灌注後立刻開啟運行取數
在灌裝過程中，項目團隊首先在45天內完成超過6萬噸超純水的灌注，將內外有機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構的安全穩定。隨後歷經半年的精細操作，將2萬噸液體閃爍體精準注入直徑35.4米的有機玻璃球內，並同步完成原有純水的置換。尤為關鍵的是，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，項目團隊完成了探測器的調試優化，確保了探測器在灌注完成後立刻進入正式運行取數階段。
「完成JUNO探測器灌注並開始運行取數，是一個歷史性的里程碑。這是國際上首次運行這樣一個超大規模和超高精度的中微子專用大科學裝置，將使我們能夠回答關於物質和宇宙本質的基本問題。」中國科學院院士、JUNO合作組發言人王貽芳表示。
話你知
Q:中微子為什麼被稱為「幽靈粒子」？
A：作為構成物質世界的基本粒子之一，中微子不僅是宇宙中最古老、數量最多的物質粒子，還因質量極輕、運動速度接近光速且幾乎不與任何物質發生反應而極具神秘色彩，而被稱為「幽靈粒子」。從1956年人類發現中微子以來，對中微子的探索與研究從未停止，然而由於中微子極難探測，使其至今還有很多未解之謎。通過大科學裝置認識、研究中微子，對於粒子物理、天體物理、宇宙學等基礎科學領域具有重要意義。
Q：JUNO的目標是什麼？
A：JUNO實驗的首要目標是確定中微子質量順序，即3種中微子哪個最重。中微子質量順序是中微子的內稟屬性之一，是所有粒子物理模型都必須面對的問題。此外，JUNO並同步進行超新星中微子、地球中微子、太陽中微子、大氣中微子、質子衰變等多項重大前沿交叉研究。
Q：JUNO的建設中創造了哪些新紀錄？
A：江門中微子實驗建成了國內跨度最大的深埋地下洞室，自主研發了探測效率國際最高的新型20英寸光電倍增管，研製了透明度國際最高的液體閃爍體。容納2萬噸液體閃爍體的有機玻璃球形容器直徑 35.4米，厚12厘米，為國際最大。
Q：什麼是液體閃爍體？
A：探測中微子需要靶，中微子與設定的靶發生相互作用才能產生信號，這個信號就是正電子加中子，我們需要把這個信號讀出來，就是所謂的中微子信號。
液體閃爍體的特殊性在於它含有的質子數量非常多，中微子跟質子發生反應的幾率比較高，大量的液體閃爍體相當於密集的靶，中微子打上去就會產生信號。我們收集到正電子加中子，就知道來了中微子，發生了反應。中微子和質子碰撞時，產生的中子和正電子通過電離損失能量，損失的能量會變成光，這些光信號被探測器內部的光電倍增管捕捉和放大，然後被記錄和分析。所以液體閃爍體既是靶，也是探測介質。
整理：香港文匯報記者 劉凝哲
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