文|泡芙小方
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电影《流浪地球》中,地上生存环境恶劣,人们只能转移到地下生存,本以为这只是科技电影的幻想,没想到如今早已成为现实。
就在中国的江门市的地下700米的深处,隐藏着一座被称为“捕捉宇宙幽灵”的神秘实验室——江门中微子实验室。
这座实验室不仅在规模上领先全球,而且其实验成果或将为人类探寻宇宙奥秘带来革命性进展,让英国媒体感慨:比美国领先6年!
为什么要将实验室建在如此深的地下?我们又真的领先美国这么多吗?
信息来源:环球时报,2024-10-17,《英媒:中微子实验装置,“美国进展比中国晚6年”》
地下700米深处的实验室中微子不仅非常古老,还非常的神秘,它质量极轻,基本上不与其他粒子发生相互作用,因此被形容成了“幽灵”。
这种性质让中微子几乎难以被人类或者一般的设备给捕捉到,必须使用最先进的探测器才可以。科学家们比喻它像是宇宙间的隐形拼图,而探究中微子的特性,能帮助我们解答许多宇宙的未解之谜。
中微子
在20年前,当时我国的科研人员为了能够探测中微子,就提出了在核反应堆中来寻找。根据这一设想,4年后中微子实验站开始动工,当时的安排只有300多米,但是也获得了不错的成功。
在这座实验室退役之后,江门中微子实验室开始修建。实验室的位置是在群山之中,还有一座建筑物,但是这不是真正的实验室,想要到实验室内部,还要乘坐罐笼,下降700米,这段过程至少需要5分钟。
江门中微子实验室
想要在地下几百米的位置修建实验室,不是一件容易事,比如岩石的坚硬程度,地下会如何排出去,这些都是需要克服的难题。
并且江门实验室选址在距离两个大型核电站的中心位置,这两座核电站的核反应堆产生的中微子数量丰富,确保了实验能够持续获得高流量的中微子供检测使用。
罐笼道
江门中微子实验室的目标之一是测量中微子的质量顺序,这个问题对于粒子物理学和天体物理学都具有重要意义,一旦解开,将有助于我们进一步理解宇宙的基本结构和起源。
为了捕捉这些几乎无形的粒子,JUNO配备了全球最大的有机玻璃球,直径达35.4米,内部充满了2万吨液体闪烁体。
世界最大的单体有机玻璃球
外层不锈钢结构由4.4万只光电倍增管环绕,时刻监测有机玻璃球内的闪烁反应,以确保不会错过任何细微的中微子事件。
这些液体有着大作用,就像是一个“陷阱”,当中微子进入到其中,就会产生信号,虽然非常的微弱,但是加上另一种设备的加持,会把这种信号发大,这样子就能捕捉到了。
玻璃球内部 央视报道截图
“幽灵粒子”的捕捉过程极为复杂,因为中微子并不容易被直接观察到,每天仅有约40到60次的粒子与液体发生反应,但这微弱的信号足以为科学家提供大量数据。
实验室的核心区域被厚重岩层覆盖,地下700米的深度不仅有效屏蔽了来自宇宙射线的干扰,还使实验环境格外“安静”,中微子的信号在此得以清晰捕捉,这也是为什么要把实验室建到如此深。
捕捉中微子 央视报道截图
此外这些设备中加入了大量由国际合作方研发的尖端技术,比如德国团队提供了精准的数据处理系统,意大利的科研人员在光电倍增管的研制上给予了重要支持,美国、日本等国的科学家们也在该项目的设计阶段贡献了宝贵的经验。
玻璃球面板
信息来源:光明日报,2024-10-24,《江门中微子实验:地下700米的神秘粒子“捕手”》
领先美国6年在全球范围内,中微子研究已成为各国争相投入的前沿领域之一,美国、欧洲和日本均设有相关的中微子实验装置。
但是JUNO不管是在探测规模还是灵敏度上都具备更高的优势,其捕捉效率和分辨率在全球范围内名列前茅。
国之重器:地下700米江门中微子实验装置
并且美国在中微子方面的研究现在已经落后了,虽然起步早,但是因为各种因素,美国的装置设备却没有跟上我国的步伐,比如资金的问题,美国在这方面的预算非常大,因此资金变得很困难,推展起来就慢了下来。
一位来自江门中微子实验室的科学家直接表明,美国的设备至少落后了我们6年,日本和法国相对来说还快一些仅3年,这说明中国在这方面真的走在了世界的前沿。
中国的科研团队更是以实现中微子的“质量排序”为核心目标,为了在这一难题上实现突破,JUNO将通过长时间的数据积累和精确的测量,率先对这一物理难题给出答案。
而这一结果不仅可能改写现有的物理学模型,也可能迫使科学家重新审视对宇宙起源和发展过程的理解。那么花这么多的资金,费这么大的力气来研究中微子,对我们有什么意义呢?
费米国家加速器实验室
信息来源:极目新闻,2024-10-11,《黄金瞳、闪烁体、超纯水……这个国之重器水灵灵的》
研究中微子好处多多江门中微子实验室建成之后,运行年限为30年,其在中微子方面的研究不仅在基础研究领域具备开创性意义,还有望为人类的生产生活带来深远影响。
中微子是在恒星核反应等宇宙剧变中产生的,科学家通过观测这些中微子流,可以追溯到恒星内部发生的过程,甚至了解恒星和超新星演化的细节。
中微子光伏电池极片结构示意图
这些观测提供的信息,有望解答宇宙“从何而来”的问题,并帮助科学家进一步完善关于宇宙大爆炸的理论模型。
地球内部衰变会释放“地中微子”,而这些地中微子能为科学家揭示地球内部的物质组成和热流情况,提供一种非侵入性的观测方式,有助于研究地球的形成过程和地壳、地幔的结构。
中心探测器有机玻璃球完成赤道层安装
在应用科学领域,中微子的研究可能带来意想不到的突破,例如“中微子能源”的概念近年来被多次提出。
虽然实现这一技术还面临巨大挑战,但若能成功,中微子能源将成为一种全新的清洁能源,与太阳能、风能等不同,它可能不依赖于气候条件,甚至在黑夜也能持续供电。
液体闪烁体
此外中微子因为穿透性强且不会对人体造成损害,这一特性在医疗领域的应用前景也备受期待,未来可能出现“中微子刀”,用于无创的精准癌症治疗,避免传统放疗和化疗对正常组织的损伤。
所以江门中微子实验室的建设不仅仅代表着中国在科技领域的崛起,更是中国致力于推动全球科技进步的一种姿态。
捕捉玻璃球
JUNO的研究成果将影响到未来的多个领域,从宇宙物理学到能源开发,从医学进步到材料科技,
这项壮观的科学工程所带来的影响将超越单一学科,为人类进一步解锁宇宙奥秘提供强大支持。
可以说JUNO的成功不仅让中国在全球科学界中占据了一席之地,也为全球科学研究注入了新的动力。
中微子与液体闪烁体作用
参考资料环球时报,2024-10-17,《英媒:中微子实验装置,“美国进展比中国晚6年”》
光明日报,2024-10-24,《江门中微子实验:地下700米的神秘粒子“捕手”》
极目新闻,2024-10-11,《黄金瞳、闪烁体、超纯水……这个国之重器水灵灵的》