全球第一！江门上热搜了！点亮“超级眼睛”，他们以“极致”浪漫叩问宇宙起源！

热门资讯 2025年08月28日 22:18 1 admin

2025年8月26日8时

中国科学史必将记住这一历史性时刻

——江门中微子实验（JUNO）

正式运行取数！

成为全球首个建成的

下一代大型中微子实验平台！

从2013年立项到2025年建成，JUNO创造了多项世界纪录：41.1米直径不锈钢网壳支撑结构、2万只20英寸光电倍增管阵列、液闪光衰减长度突破20米……这些“极致”技术背后，是来自17个国家和地区、74个科研机构的700多名科学家与工业界数千人的协同创新，以“极致”浪漫叩问宇宙起源。

此刻，广东江门开平金鸡镇打石山地下700米深处，4万多只光电倍增管如星河倾泻，点亮了人类探寻宇宙本质的“超级眼睛”，在黑暗中为人类打开一扇通向物质本质与宇宙起源的天窗。

“最困难的实验”

2012年3月，大亚湾中微子实验发现中微子第三种振荡模式，使我国的中微子实验研究从无到有并走到了世界前列。接棒大亚湾中微子实验，更为先进、规模更大的江门中微子实验肩负起更大使命：精确测定中微子质量顺序，进而探索宇宙起源奥秘，续写我国中微子研究的辉煌。

物理灵敏度分析为实验选址指明了方向，允许的实验范围在距核反应堆50至55公里、宽200米的区域内。而阳江与台山核电站拥有世界第一的有效反应堆群功率，反应堆功率越大，释放的中微子数目就越多，实验精度也就越高。江门中微子实验室所在地距广东阳江和台山反应堆群约53公里，且地质条件也完全符合相关要求。种种优势叠加，使得江门中微子实验室成为目前世界上最适合利用核反应堆测量中微子质量顺序的地方之一。

△流星划过江门中微子实验上空。

要揭开中微子质量顺序的神秘面纱，中心探测器的设计与建造是关键所在。江门中微子实验项目副经理、中心探测器负责人衡月昆，曾参与大亚湾中微子实验，负责中微子探测器的研发工作。2013年江门中微子实验立项后，他便全身心投入到中心探测器的研究工作中。

高能物理实验的关键仪器设备无法直接购买，只能依据物理目标自行设计研制。衡月昆介绍，从探测器设计角度来看，当时面临三个主要难题：一是2万吨靶物质该用什么容器装载，气球方案和有机玻璃球方案各有利弊；二是用什么来屏蔽周围的本体，是选取白油还是水；三是用什么结构支撑探测器，是用钢罐还是钢结构。

△完成全部安装好的探测器静待灌注。

从2013年立项到2015年，经过对探测器性能、成本、建造可能性、风险、寿命等诸多因素的综合考量，最终确定采用有机玻璃球装载液闪，用纯水做屏蔽液体，用钢网架结构支撑整个结构。

中心探测器设计方案确定后便进入土建环节。从2015年春天开始，在广东江门开平的金鸡镇打石山，一群又一群的人走进了地下700米山腹之中。他们要在这里建世界上最先进的核反应堆中微子探测器。

△国内最大跨度49.5米地下洞室开挖。

大科学工程的基建不同于普通的基建，从提出需求到设计再到施工，环环相扣，任何一步出现偏差都可能导致最后的结果不能满足实验需求。而江门中微子实验实验厅为国内最大跨度的深埋地下洞室，该洞室顶部起拱跨度达49.5米，相关施工属于世界级的超常规地下工程。

△为了加固实验大厅的稳定性，工人们正进行锚索的施工。

李小男之前在大亚湾中微子实验里做过电子学研究，严谨是最基本的专业素养。2012年9月，他跟王贻芳一起去踏勘选址。从2013年起，他就作为基建负责人住进了开平。虽然学的专业是粒子物理，在7年的土建阶段，李小男还学习了地质、水文、测控、消防等多个专业领域的知识。凭借专业领域知识，李小男与施工方沟通顺畅，顺利渡过了多个施工难关。

7年的土建建设，因为地下水的原因造成了开挖进程缓慢，中间还有过几次淹井，遇见的诸多困难，或许这已经不是科学家们所擅长的内容。回顾江门中微子实验建设过程，王贻芳坦言：“江门中微子实验是我做过最困难的，也是在一定程度上感觉最无力的实验。”王贻芳的无力感不仅体现在长达7年土建工程中遇见的诸多困难，更体现在探测器关键核心部件的研发上。

诞生多项“世界之最”的背后

早在大亚湾中微子实验预研阶段，高能所便将国内从北到南的有机玻璃厂家都梳理了一遍，彼时，并没有任何一家能够承接几何精度要求非常高的大型有机玻璃罐的厂家。

8年后，当江门中微子实验开始预研时，高能所发现国内相关厂家加工水平普遍上了一个台阶，加工大亚湾中微子实验所需的有机玻璃罐应该不成问题。不过，江门中微子实验有机玻璃球比当时国际上最大的SNO实验有机玻璃球体积要大20倍，仍然属于巨大的挑战。

△科研人员在有机玻璃与光电倍增管的夹层检查有机玻璃安装情况。

在汤臣科技董事长汤月生眼中，打造世界第一大有机玻璃球的想法，多少有些天马行空。当初听说高能所要找厂家造一个直径35.4米的有机玻璃球壳，他压根就不信——因为在当时的认知中这是不可能实现的。但细细分析起来，科学家的“取闹”却有理有据。“我试着先做一套生产系统，就算不做你们项目，其他上面也能用上，你们不用有压力。”汤月生说。

有机玻璃球作为中微子探测器的重要组成部分，里面将灌装2万吨的液体闪烁体，周身布满光电倍增管，再整个泡在直径43米的圆柱形水池里。当中微子到达探测器后，激发球壳里的液体发出闪烁光，光穿过有机玻璃球壳被光电倍增管捕捉，转变成电信号记录下来，再进行分析研究……

球体的特殊作用也注定了在有机玻璃性能上也有不平凡的要求——不能添加抗紫外成分，透光度要好，材料要低本底越纯净越好，不能有放射性，当然更不能形变、开裂……为此，汤臣科技开辟生产专线，与高能所通力合作，改进生产工艺和材料成分，其间突破了整圈合缝、透光率、局部退火、低本底等多项技术壁垒，攻克了项目进程中的一系列难题。

光电倍增管（PMT）是江门中微子实验最核心的探测器件。2008年，高能所提出江门中微子实验的构想时，所需的2万只高性能20英寸PMT成为关键，相关技术被日本垄断，价格高昂。因此，PMT自主研发提上日程。

△密集排布的光电倍增管。

2009年王贻芳等提出了新型的微通道板PMT方案，经过11年的探索和联合攻关，研制成功具有自主知识产权的国际最高光子探测效率的光电倍增管，打破了该领域的国际垄断，并获欧盟、美国、日本等的专利授权。2020年，15000只20英寸国产光电倍增管交货，相较于国外购买，节省三分之二经费，并在一定程度上挽救了国内濒临倒闭的光电倍增管行业。

诞生“世界之最”的背后，是项目组持之以恒地精心规划、测试与坚持。自项目实施以来，项目组集智攻关。研制了高强度、高精度、高透光率光电倍增管水下防爆系统；研发高洁净度、高密封、高效率的液体闪烁体纯化系统，获得了目前国际上衰减长度最长的液闪；采用水下电子学的创新设计，以民用器件实现了航天可靠性；完成41.1米直径的不锈钢网架等探测器关键部件的设计、研制及批量生产……

“江门中微子实验是一个边建边产出的过程，我们与企业合作实现技术方案，企业和人员都得到锻炼和提高，大概形成了几十个发明专利。”王贻芳说。

追求“极致”的人

爬上不锈钢网架，选取最好的角度按下快门，用镜头记录实验建设进展，这是刘悦湘的工作日常。

刘悦湘是江门中微子实验的兼职摄影师，十年间，他用超十五万次的快门，不仅记录下花岗岩到不锈钢的变迁，更展现出参与江门中微子实验建设工人和科研工作者的汗水和意志。

在他的日常拍摄工作过程中，总是在一些犄角旮旯里碰到“马总”，网壳上挂着，玻璃球上趴着，电缆沟里蹲着……

“马总”名叫马骁妍，是高能所高级工程师、江门中微子实验的总工程师，个子不高，整天戴着一顶白色安全帽，帽子上有着许多蓝色小划痕，是她每天攀爬网架磕碰时留下的痕迹。

江门中微子实验中心探测器置于液体中，内部是液闪，外部是水，内外液体密度不同，整个运行过程，结构要承受将近3000吨的浮力，因此对结构设计提出极高要求。“我们不仅要考虑整个结构的受力稳定性、安全性，还要考虑运行30年的长久性。整个设计，不能忽视任何细节。例如，有机玻璃球和外面不锈钢网壳连接的节点，该结构包含590根支撑杆，仅连接节点的设计，我们就做了100多次实验。”马骁妍说。

实验的高要求让马骁妍不得不追求“极致”。比如钢结构，地下是约41米外径的球形网壳结构，用螺栓连接，螺栓直径20毫米，螺孔22毫米，正负偏差只有1毫米。“这么大型的钢结构，如果制作不够精确，螺栓可能就穿不进去。预装阶段我们做了很多实验，所有网壳在厂家都100%经过预拼装，但拼装时多是平躺着装，受力形式与立体装受重力不同，所以实际安装时仍有个别螺栓很难就位。”马骁妍说。

△中心探测器进行关灯测试。

同样追求极致的还有高能所青年研究员赵洁。

赵洁还记得第一次来到地下700米实验大厅时的场景。“地下大厅就像一间毛坯房，裸露的岩石随处可见，洞室里还有具有天然放射性的氡气，在密闭的环境中对人体有害。”她立即拿起设备在洞室中来回测试风向与风速，最终将氡气浓度控制在安全范围。

赵洁，人如其名，负责照顾现场的洁净度，是江门中微子实验本底控制负责人。

中微子很难被捕获，环境和材料等各方面都会产生假信号干扰探测器捕捉中微子。本底控制就是要尽最大努力把这些干扰信号降到最低，例如，有机玻璃球2万吨化学液体里的灰尘量不能超过0.008克等，这是捕获中微子的前置条件。

本底控制周期非常长。探测器设计环节，本底控制相关工作已经开始，每一种材料，哪怕一个螺母，都需要精心筛查；设计完成后还要进行质检，生产的产品也要保证与质检一致；安装过程中也不能掉以轻心，如果出现纰漏，导致污染，会引入额外的干扰。

到达施工现场后，赵洁带领团队首先把实验大厅隔离起来，装上风淋室，对整个大厅进行了一次大扫除。随后，又将所有安装的器件一一清洗，并将其包裹得严严实实再运到地下，相关人员进入都要穿防静电防护服，并在风淋室吹掉身上灰尘，然后穿鞋套或洁净鞋才能进去。“再加上地面铺上塑料垫膜，厅内的循环过滤系统，全力把大厅的干扰信号降到最低并将其维持在实验要求的水平。”赵洁说。

如果说江门中微子的研究是一幅画，那么液闪就是这幅画的画纸。中微子事例产生的闪烁光需要穿过液闪，才能到达光电倍增管，研发一个高洁净度、高密封、高效率的纯化系统，找到发光效率更高、光稳定性更好的液闪是捕捉中微子的核心难题之一。

20世纪中后期以来，大科学装置大量涌现，广泛的国际合作成为大型高能物理实验的重要特点，并逐渐呈现出“全球化”的趋势。意大利液闪专家Marco Beretta于2023年7月便来到实验现场，成为江门中微子实验液闪的负责人之一。“江门中微子实验探测器很大，需要2万吨液闪。我们与各公司合作研发装置并扩大规模，蒸馏装置从原本2米高扩展到如今14米高，这一过程耗时很长。关键挑战是通过中试装置、原型机测试，再扩大规模满足要求，研发每个环节都要增加测试确保进展顺利。”Marco Beretta说。

△液闪5000吨存储罐。

为进一步提高烷基苯的透明度并降低放射性本底水平，江门中微子实验在现场建立自己专门设计的大型纯化设施，将2万吨烷基苯“滤”一遍，“蒸”一遍，“洗”一遍，再“吹”一遍，成功获得光传输衰减长度大于20米的液闪，达到了世界最高水平。

“今年2月，我从米兰出发去罗马的火车上查看数据时第一次看到探测器内部的光，心里特别激动。现在回想那个画面，依然很美。看到这么大的探测器很震撼，它的‘诞生’，就像一首赞歌，太美好了。”Marco Beretta说。

探寻物质和宇宙本质

在江门中微子实验办公楼白墙上，“下一个挑战：中微子质量顺序”字样引人注目，这代表了合作组长期以来的目标与决心。

△科研人员完成探测器密封工作纪念。

8月26日，江门中微子实验正式运行取数。经过十余年的准备和建设，JUNO成为国际上首个建成的下一代大型中微子实验装置。JUNO在试运行期间首批获取的数据显示，其探测器关键性能指标全面达到或超越设计预期。

△完成探测器安装后进行液体灌注，同时也是最后一张探测器照片。

“经过合作组700多人10多年的努力，以及工业界几千人十年的努力，江门中微子实验正式运行取数，我对它的科学产出抱有极大期待。”王贻芳说，一是针对中微子，希望测量中微子质量顺序，把中微子振荡参数精度提高近10倍；二是寻找新物理，如质子衰变、不活跃的中微子等；三是通过研究太阳中微子，更好理解太阳内部物理过程；四是希望寻找到超新星中微子，目前宇宙中应存在但还没人看到，更希望在未来30年等到超新星爆发，理解其过程；五是未来对探测器做升级改造，寻找不同中微子产生的无中微子双贝塔衰变实验，理解中微子是不是自身的反粒子。

“只有基础科学领先国际，才有科技的真正领先和国家的富强。希望江门中微子实验未来30年产出的成果能成为年轻人学习的教材，成为他们未来发展的重要领域和教科书内容。”王贻芳说。

在王贻芳看来，大科学装置是很好的人才培养基地。它涉及科学目标设定、技术设计、研制生产和获取数据做物理分析等完整过程，年轻人在这个过程中能得到完整训练。马骁妍、李小男、赵洁……当年在大亚湾中微子实验的年轻人，现在都成长为江门实验的骨干。

曾经，在建设期间，很多人问科学家们究竟在地下700米干什么？当4万多只光电倍增管在今年全部点亮，地下700米深处闪起“熠熠星光”时，马骁妍心里有了答案——