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深入地下700米捕捉“幽灵粒子”!探秘江门“神秘实验室”最新进

发布时间:2021-02-01 08:38 作者:扑克王app官网

  近日,记者深入底下700米,实地探访江门中微子实验站建设现场。中科院高能物理研究所研究员、开平中微子研究中心主任李小男介绍,江门中微子实验站已完成第一阶段地下洞室的开挖,进入到第二阶段实验设备的安装,预计2023年底投入运行。

  近日,记者驱车前往位于开平市金鸡镇的江门中微子实验站建设现场,进行了实地探访。

  为了减少宇宙射线对实验的干扰,江门中微子实验站的实验厅建在地下700米深处。实验站建设包含地上、地下两部分。据了解,地上的建筑主要包括装配大厅、绞车房、地上动力中心、空调机房、氮气及纯净水房、办公楼等。记者看到,这些建筑已经基本完成。在装配大厅里,来自法国等国家的实验设备已经到位。

  该项目地下建筑主要为斜井(1266米)、竖井(564米)、实验厅(跨度49米、高71米)及附属洞室。这是国内最大的地下洞室。

  李小男介绍,江门中微子实验站项目2015年开工,原计划3年完工,但是因为地下施工情况复杂,受地下水等多种不良地质条件影响,工程施工到现在。去年年底,施工方已经完成了地下工程的开挖。

  “还需要半年的时间,完成机电设备的安装、供电、通风等,预计7月份交付给我们,开始第二阶段的设备安装。主要是安装直径35.4米的玻璃球。整个实验室设备的安装需要两年半到三年时间。”李小男说。

  当天上午10时半,记者跟随工作人员从斜井下井探访。坐着缆车,大约半小时后,到达了地下700米深处的一个隧道。

  记者看到,所有洞室已基本挖好,有少数挖机和运输车辆还在忙碌,地下水排放也得到了很好的疏导。隧道洞穴犬牙交错,让人叹为观止。

  “打个比方,就比如建新房,目前已经完成了毛坯建设,准备装修了。”一名工作人员说。

  今年1月5日,江门市委书记、市人大常委会主任林应武赴开平市调研。在听取了江门中微子实验站项目工程进展后,林应武表示,在确保项目顺利推进的前提下,要积极谋划推动实验站与地方的交流合作,以“大手”拉“小手”的形式,充分发挥大科学装置人才优势,拓展与地方产业发展合作空间,为地方经济社会发展作贡献。

  李小男告诉记者,江门中微子实验站所处的地方是一个农业县级市,从开平市和金鸡镇的角度来讲,这么大的实验站落户,对提升当地在世界上的影响力,具有积极的意义。

  “我们是基础科研,所以可以在社会效益上作一些贡献。在满足科研需求的基础上,开展青少年科普工作。我们的实验室建成后,将在装备大厅建设科普馆,地下场地也可以有限度地对外开放。”李小男说。

  “人才基地方面,大科学装置肯定是一个很好的培养人才的地方。我们自身就是为未来高能物理的发展培养高素质的青年人才。对于地方来讲,我们主要是与地方科研院校合作来达到培养人才的目的,比如与中山大学、暨南大学合作。五邑大学暂时没有相关专业,但是有自己的特色,比如实验需要很多控制方面的技术,我们就在自动化控制方面和五邑大学智能装备制造学部达成合作意向。合作内容主要是依托中微子实验、台山核电站小实验室,在自动化控制方面进行合作,达到培养人才的目的。”李小男说。

  对于交流基地,则将依托实验站的知名度,把一些国际性的学术会议安排在开平市举行。“以前开平不具备这个条件,因为这种会议人数一般达到500人,或者上千人。赤坎古镇建成后,应该基本具备这个条件。从小的方面说,会议的举行,吸引高端人才来开平,对于开平的旅游是非常有好处的。”李小男告诉记者。

  李小男表示,在科普基地建设方面,他们已经和地方政府多次沟通,基本定位为青少年科普基地以及青少年军训基地。“中科院高能所正在和其他有特色的研究所沟通,使得科普基地不局限于中微子这个抽象的概念,扩展内容,多设计一些主题,把一些抽象的东西生动、具体地向孩子们展示;例如尝试和华南植物所合作,建一个植物科普基地等。”他说。

  他告诉记者,希望2023年江门中微子实验站建成前,这个科普基地能有初步的东西出来,能够和实验站项目相辅相成,“总的来讲,我们在完成实验的大前提下,会考虑根据当地的实际情况,为当地的发展作一些贡献”。

  去年12月12日,大亚湾中微子实验装置正式退役。这让江门中微子实验站变得更加让人期待。

  大亚湾中微子实验在2003年提出,到2012年得到了第一个结果,首次证明中微子存在第三种振荡模式。

  这个结果打开了反物质消失之谜的大门,被世界权威学术期刊《Science》评选为2012年度十大科学突破之一,也获得了基础物理突破奖和国家自然科学一等奖。

  在大亚湾中微子实验成功发现中微子的第三种振荡模式后,中微子研究的下一个目标是测量中微子质量顺序。

  李小男介绍,物理灵敏度分析表明,允许的实验站范围在距反应堆50-55公里、宽为200米的区域内。通过详细的地质勘测,选址于广东省江门市开平,距广东阳江和广东江门市台山反应堆群约53公里。

  根据资料,阳江核电站共6个反应堆均投入商业运行,总热功率为17.4GW。台山核电站共规划4个反应堆,总热功率18.4GW,2个已建成。

  截至去年,阳江与台山核电站有效的反应堆群功率为世界第一。反应堆的功率越大,释放的中微子数目越多,实验精度就越高。因此,江门中微子实验站是世界上目前发现的最适合利用核反应堆测量中微子质量顺序的地方。

  “中微子实验是基础物理实验,实验设备是为了特定的实验目标去设计制造的。能落户开平金鸡镇,是实验要求决定的。建实验室需要考虑周围的核电站是否适合我们实验,周边的地质条件是否适合建设地下700米深的实验大厅。考察认为大亚湾不适合,开平市金鸡镇适合。选址金鸡镇纯粹是物理研究的要求。”李小男说。

  2013年初,中国科学院以战略性先导科技专项(A类)形式予以立项,正式拉开了建设江门中微子实验站的序幕。江门市中微子实验由17个国家和地区合作展开。

  据了解,大亚湾实验里用到的液体闪烁体靶质量只有20吨,这跟江门中微子实验差了将近1000倍;2万吨的实验中心探测器,比目前世界上最大的液体闪烁体探测器还要大20倍。光电子产额增大了2.5倍,能量分辨率达到前所未有的3%。

  实验中心探测器为直径40米的钢结构,约有10层楼那么高。中心探测器浸泡在圆柱形的水池中(灌装有约4万吨高纯水),水池和水池顶部都布置探测器。

  李小男介绍,本实验的探测器研制有三大技术挑战,目前已完成技术攻关,包括世界最大的有机玻璃容器(35.4米);探测效率世界最高的光电倍增管(国产微通道板型光电倍增管的探测效率>30%);世界最透明的液体闪烁体(衰减长度>20米)。

  在装备大厅,记者看到了一些实验模型。李小男解释,江门中微子实验的液体闪烁体是探测中微子的介质,当大量中微子穿过液体闪烁体时,中微子与液体闪烁体的质子发生碰撞,发出极其微弱的闪烁光,会被探测器外围的光电倍增管探测到,从而捕捉到中微子的信号。物理学家们就依靠捕捉到的大量中微子的振荡信号,以确定中微子的质量顺序。

  可以这么说,“大亚湾中微子实验让我国粒子物理实现跨越式高速发展,而江门中微子实验,则是以达到国际领先地位为目标,将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题”。“这不仅对理解微观的粒子物理规律作出重大贡献,也将对宇宙学、天体物理乃至地球物理作出重大贡献。”李小男说。

  祖籍台山、1932年出生的邝宇平于2003年当选为中国科学院院士。他主要从事粒子理论(粒子物理理论和量子场论方面)的研究,在重夸克偶素物理、TeV能区物理、有效拉氏量理论等方面作出重要贡献:他建立了一个“邝-颜模型”,作出的预言大部分被后来的实验所证实。

  对于江门中微子实验站的建设,邝宇平说,他也关注到了这个项目。在接受记者采访时,他说,江门中微子实验站是在其他地方没做之前先做了,要抓紧时间把它建设好。如果能在国际上第一个做出来,并首先测出三个中微子的质量,这个实验站的影响力和地位就很不一般了。有了这个地位,对地方的发展,当然也是有利的。

  李小男说,中微子实验项目研究设备及实验站本身没有任何环境危害,实验中不使用任何放射性物品和有害物。大量使用的只是一种叫烷基苯的液体,这种液体是人们日常生活中使用的洗衣粉(液)的原料,无毒、无味,对人体没有任何危害性,而且这些液体也密封在不锈钢罐中,普通人平时根本接触不到。

  另外实验也不排放任何有害废物、废水和废气,不会污染地下水,只有岩石中渗出的地下水需要排出地面,地面建筑只有生活污水需要统一处理。

  1956年,美国科学家莱因斯和科万利用核反应堆实验首次测到中微子。莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

  1962年,莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格在美国布鲁克海文实验室利用质子加速器发现了第二种中微子μ中微子。他们因此获得了1988年的诺贝尔物理学奖。

  1968年,美国的戴维斯探测到太阳中微子;1987年,日本的小柴昌俊探测到超新星中微子,共同获得了2002年诺贝尔物理学奖。

  1998年,日本超级神冈实验以确凿证据证实中微子的丢失,是因为中微子发生了振荡。2001年,加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子。日本的梶田隆章和加拿大的麦克唐纳获2015年诺贝尔物理学奖。

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