中外科學(xué)家在江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)過(guò)程中通力合作。劉悅湘 攝

????2025年8月26日，中國(guó)科學(xué)史必將記住這一歷史性時(shí)刻——江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)正式運(yùn)行取數(shù)，成為全球首個(gè)建成的下一代大型中微子實(shí)驗(yàn)裝置。

????從2013年立項(xiàng)到2025年建成，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄：41.1米直徑不銹鋼網(wǎng)殼支撐結(jié)構(gòu)、2萬(wàn)只20英寸光電倍增管陣列、液體閃爍體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”）光衰減長(zhǎng)度突破20米……這些“極致”技術(shù)背后，是來(lái)自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)、74個(gè)科研機(jī)構(gòu)的700多名科學(xué)家與工業(yè)界數(shù)千人的協(xié)同創(chuàng)新，以“極致”浪漫叩問(wèn)宇宙起源。

????此刻，廣東江門(mén)開(kāi)平金雞鎮(zhèn)打石山地下700米深處，4萬(wàn)多只光電倍增管如星河傾瀉，為人類(lèi)點(diǎn)亮了探尋宇宙本質(zhì)的“超級(jí)眼睛”，打開(kāi)了一扇通向物質(zhì)本質(zhì)與宇宙起源的天窗。

????在地下700米深處逐夢(mèng)

????大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)，讓我國(guó)中微子研究實(shí)現(xiàn)了“從無(wú)到有”，并一舉走到了世界前列。接棒大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，更為先進(jìn)、規(guī)模更大的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)肩負(fù)起更大使命：精確測(cè)量中微子質(zhì)量順序，進(jìn)而探索宇宙起源奧秘。

????要揭開(kāi)中微子質(zhì)量順序的神秘面紗，中心探測(cè)器的設(shè)計(jì)與建造是關(guān)鍵所在。從2013年立項(xiàng)到2015年，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副經(jīng)理、中心探測(cè)器負(fù)責(zé)人衡月昆對(duì)探測(cè)器性能、成本、建造可能性、風(fēng)險(xiǎn)、壽命等諸多因素進(jìn)行了綜合考量，最終確定采用有機(jī)玻璃球裝載液閃，用純水做屏蔽液體，用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支撐探測(cè)器結(jié)構(gòu)。

????中心探測(cè)器設(shè)計(jì)方案確定后，從2015年春天開(kāi)始，在金雞鎮(zhèn)打石山，一群又一群的逐夢(mèng)者走進(jìn)了地下700米的山腹之中，他們要在這里建設(shè)世界上最先進(jìn)的中微子探測(cè)器。

????大科學(xué)裝置工程的基建，從提出需求到設(shè)計(jì)再到施工環(huán)環(huán)相扣，任何偏差都可能導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求。而江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)大廳為國(guó)內(nèi)最大跨度的深埋地下洞室，洞室頂部起拱跨度達(dá)49.5米，屬于世界級(jí)的超常規(guī)地下工程。

????中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高能所”）研究員、開(kāi)平中微子研究中心主任李小男曾在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)參與電子學(xué)研究。2012年9月，他與中國(guó)科學(xué)院院士、江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家王貽芳一起去踏勘選址，并從2013年起作為基建負(fù)責(zé)人長(zhǎng)駐開(kāi)平。歷時(shí)7年的土建工程中，粒子物理專(zhuān)業(yè)出身的李小男學(xué)習(xí)了地質(zhì)、水文、測(cè)控、消防等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，與施工方保持順暢溝通，共同破解了多個(gè)施工難題。

????回顧實(shí)驗(yàn)建設(shè)過(guò)程中遇到的種種問(wèn)題，王貽芳坦言：“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)是我做過(guò)最困難的，也是在一定程度上感覺(jué)最無(wú)力的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

????“世界之最”誕生的背后

????早在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)預(yù)研階段，高能所便將國(guó)內(nèi)從北到南的有機(jī)玻璃廠(chǎng)家都梳理了一遍，彼時(shí)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何廠(chǎng)家能夠勝任。

????8年后，當(dāng)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)開(kāi)始預(yù)研時(shí)，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家的加工水平已經(jīng)普遍上了一個(gè)臺(tái)階。不過(guò)，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的有機(jī)玻璃球比當(dāng)時(shí)國(guó)際上最大的SNO實(shí)驗(yàn)有機(jī)玻璃球體積要大20倍。在湯臣科技董事長(zhǎng)湯月生眼中，這個(gè)打造世界第一大有機(jī)玻璃球的想法，多少有些天馬行空。

????當(dāng)初聽(tīng)說(shuō)高能所要找廠(chǎng)家造一個(gè)直徑35.4米的有機(jī)玻璃球用來(lái)裝液體，湯月生壓根就不信——在當(dāng)時(shí)的認(rèn)知中這是不可能實(shí)現(xiàn)的。但細(xì)細(xì)分析起來(lái)，科學(xué)家的“取鬧”卻有理有據(jù)：有機(jī)玻璃球作為中微子探測(cè)器的重要組成部分，里面將灌裝2萬(wàn)噸的液閃，周身布滿(mǎn)光電倍增管，整體再泡在直徑43米、裝滿(mǎn)純水的圓柱形水池里。當(dāng)中微子到達(dá)探測(cè)器后，激發(fā)有機(jī)玻璃球內(nèi)的液閃發(fā)出閃爍光，光穿過(guò)有機(jī)玻璃球被光電倍增管捕捉，轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)將被記錄下來(lái)用于分析研究……

????有機(jī)玻璃球的特殊作用，注定了在有機(jī)玻璃性能上有著不平凡的要求——不能添加抗紫外成分，透光度要好，材料要低本底且越純凈越好，不能有放射性，更不能出現(xiàn)形變、開(kāi)裂……為此，湯臣科技開(kāi)辟生產(chǎn)專(zhuān)線(xiàn)，與高能所通力合作，改進(jìn)生產(chǎn)工藝和材料成分，其間突破了整圈合縫、透光率、局部退火、低本底等多項(xiàng)技術(shù)壁壘，攻克了項(xiàng)目進(jìn)程中的一系列難題。

????光電倍增管是江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)最核心的探測(cè)器件。2008年，高能所提出江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的構(gòu)想時(shí)，所需的2萬(wàn)只高性能20英寸光電倍增管成為關(guān)鍵，然而相關(guān)技術(shù)被日本壟斷，價(jià)格高昂。因此，光電倍增管自主研發(fā)提上日程。

????2009年，王貽芳等提出了新型的微通道板光電倍增管方案，經(jīng)過(guò)11年的探索和聯(lián)合攻關(guān)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際最高光子探測(cè)效率的光電倍增管，打破國(guó)際壟斷，并獲多個(gè)專(zhuān)利授權(quán)。2020年，15000只20英寸光電倍增管交貨，較從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)節(jié)省三分之二經(jīng)費(fèi)，并在一定程度上挽救了瀕臨絕境的國(guó)內(nèi)光電倍增管行業(yè)。

????這些“世界之最”誕生的背后，是江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)合作組持之以恒的精心規(guī)劃、測(cè)試與堅(jiān)持。自項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，合作組集智攻關(guān)，研制了高強(qiáng)度、高精度、高透光率光電倍增管水下防爆系統(tǒng)；研發(fā)高潔凈度、高密封、高效率的液閃純化系統(tǒng)，獲得了目前國(guó)際上衰減長(zhǎng)度最長(zhǎng)的液閃；采用水下電子學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以民用器件實(shí)現(xiàn)了航天可靠性；完成直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)架等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、研制及批量生產(chǎn)……

????“我們與企業(yè)合作實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案，在讓參與企業(yè)和人員得到鍛煉和提高的同時(shí)，還形成了數(shù)十件發(fā)明專(zhuān)利?！蓖踬O芳說(shuō)。

????追求“極致”的人們

????爬上不銹鋼網(wǎng)架，選取最好的角度按下快門(mén)，用鏡頭記錄江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的建設(shè)進(jìn)展，這是劉悅湘的工作日常。

????劉悅湘是江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的兼職攝影師，10年間，他用超15萬(wàn)次的快門(mén)，不僅記錄下項(xiàng)目的變遷，更展現(xiàn)出建設(shè)工人和科研工作者的努力和意志。

????在日常拍攝工作過(guò)程中，劉悅湘總是在一些犄角旮旯里碰到高能所高級(jí)工程師、江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)總工程師馬驍妍。個(gè)子不高的她整天戴著一頂白色安全帽，帽子上多道藍(lán)色小劃痕，是她每天攀爬網(wǎng)架磕碰時(shí)留下的痕跡。

????江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器置于液體中，內(nèi)部的液閃與外部的純水密度不同，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中結(jié)構(gòu)要承受將近3000噸的浮力，這讓馬驍妍不得不追求“極致”?！拔覀儾粌H要考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性、安全性，還要考慮運(yùn)行30年的長(zhǎng)久性。整個(gè)設(shè)計(jì)不能忽視任何細(xì)節(jié)，例如有機(jī)玻璃球和外面不銹鋼網(wǎng)殼連接的節(jié)點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)包含590根支撐桿，僅連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，我們就做了100多次實(shí)驗(yàn)。”馬驍妍說(shuō)。

????同樣追求極致的還有高能所青年研究員、江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)本底控制負(fù)責(zé)人趙潔。

????中微子很難被捕獲，環(huán)境和材料等各方面都會(huì)產(chǎn)生假信號(hào)干擾探測(cè)器。本底控制就是要盡最大努力把這些干擾信號(hào)降到最低，這是捕獲中微子的前置條件。

????本底控制周期非常長(zhǎng)。在探測(cè)器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，本底控制相關(guān)工作已經(jīng)開(kāi)始。2022年，趙潔來(lái)到施工現(xiàn)場(chǎng)后，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首先把實(shí)驗(yàn)大廳隔離起來(lái)，裝上風(fēng)淋室，隨后進(jìn)行了一次大掃除，再在地面鋪上塑料墊膜?！巴ㄟ^(guò)廳內(nèi)的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，我們?nèi)Π褜?shí)驗(yàn)大廳環(huán)境維持在實(shí)驗(yàn)要求的水平?！壁w潔說(shuō)。

????如果說(shuō)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)是一幅畫(huà)，那么液閃就是這幅畫(huà)的畫(huà)紙。因此，研發(fā)一個(gè)高潔凈度、高密封、高效率的液閃純化系統(tǒng)，以此得到發(fā)光效率更高、光穩(wěn)定性更好的液閃，是捕捉中微子的核心難題之一。

????20世紀(jì)中后期以來(lái)，大科學(xué)裝置大量涌現(xiàn)，廣泛的國(guó)際合作成為大型高能物理實(shí)驗(yàn)的重要特點(diǎn)，逐漸呈現(xiàn)“全球化”趨勢(shì)。意大利液閃專(zhuān)家Marco Beretta于2023年來(lái)到江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，成為江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)液閃的負(fù)責(zé)人之一。

????“為了進(jìn)一步提高液閃的透明度并降低放射性本底水平，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)建立自己專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的大型純化設(shè)施，將2萬(wàn)噸液閃‘濾’一遍，‘蒸’一遍，‘洗’一遍，再‘吹’一遍，獲得的液閃光傳輸衰減長(zhǎng)度大于20米，達(dá)到了世界最高水平?！盡arco Beretta說(shuō)。

????為探索星辰大海筑基

????在江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)辦公樓白墻上，“下一個(gè)挑戰(zhàn)：中微子質(zhì)量順序”字樣引人注目，這代表了江門(mén)中微子合作組長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)與決心。

????江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)試運(yùn)行期間首批獲取的數(shù)據(jù)顯示，其探測(cè)器關(guān)鍵性能指標(biāo)全面達(dá)到或超越設(shè)計(jì)預(yù)期。

????“我們對(duì)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)產(chǎn)出抱有極大期待?！蓖踬O芳說(shuō)，“只有基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)先國(guó)際，才有科技的真正領(lǐng)先和國(guó)家的富強(qiáng)。希望江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)未來(lái)的產(chǎn)出成果能成為年輕人學(xué)習(xí)的教材。”

????在王貽芳看來(lái)，大科學(xué)裝置是很好的人才培養(yǎng)基地。馬驍妍、李小男、趙潔……這些當(dāng)年有參與大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的年輕人，現(xiàn)在都成長(zhǎng)為江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的骨干。

????在建設(shè)期間，很多人曾問(wèn)馬驍妍和她的同事們究竟在地下700米干什么？當(dāng)4萬(wàn)多只光電倍增管全部點(diǎn)亮，地下700米深處閃起“熠熠星光”時(shí)，馬驍妍心里有了答案——

????在21世紀(jì)的某個(gè)時(shí)刻，曾有一群仰望星空的人，在嶺南的花崗巖深處，為人類(lèi)造了一雙“眼睛”，用它來(lái)捕捉宇宙中每一縷太陽(yáng)風(fēng)的吹拂、每一場(chǎng)超新星的躍動(dòng)。借助它，不僅可以讓人類(lèi)在物理學(xué)的最前沿再邁前一步，也為我們未來(lái)探索星辰大海打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他們?cè)谧龅?，就是這么一件浪漫的事。

????□江門(mén)日?qǐng)?bào)記者 張浩洋 陳敏銳

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