费米实验室 对话中国科学院高能物理研究所副所长、江门中微子实验项目副发言人曹俊：给幽灵粒子“称重” 揭秘宇宙演化之谜

中微子工程地下大厅施工现场

从阳江和台山的核电站向北画出一个“边长”约53公里的等腰三角形，其顶点与江门开平市金鸡镇大石山相接:这里的山很大，在地下700米的花岗岩深处，正在修建中国最大的地下洞室，将安装世界上最大的有机玻璃球。这是江门中微子实验项目所在地。

被科学家称为“鬼粒子”的中微子质量是多少？反物质为什么会消失？超新星爆发会释放出什么样的宇宙秘密？2022年江门中微子实验项目交付后，可能会有一些答案震惊世界。为此，《广州日报》全媒体记者近日采访了中国科学院高能物理研究所副所长曹骏。

人物介绍:

中国科学院高能物理研究所副所长、研究员曹骏，1993年毕业于武汉大学物理系，1998年获得高能物理研究所博士学位。1998年至2004年，他在法国国家研究中心和密歇根大学担任博士后研究员。

他从2003年开始从事大亚湾反应堆的中微子实验研究，目前是大亚湾国际合作集团的中方发言人。江门中微子实验发起人之一，现任项目执行副经理、国际合作组副发言人。

2012年获国家杰出青年基金，2016年入选科技创新带头人，获国家自然科学奖一等奖。

1年内包装好有机玻璃球

广州日报:疫情下复工以来项目进展如何？

曹骏:春节期间我们没有停止工作，但是我们不允许爆破。只有一半的人在工作；疫情防控正常化后，我们申请尽快复工，疫情影响工期一个月左右。目前最大的困难是地下花岗岩的渗流，平均每小时500立方米。每开一枪前都要把水堵死，但不能完全堵死，否则会破坏洞石的稳定性。这是一件非常困难的事情，因为斜井长1.3公里，坡度40%，所以需要用几台大型水泵分几个阶段把地下700米深处的水抽到地面。我们做了很多措施，其中一个就是自上而下钻一个水位监测孔。我们可以看到水位一直在下降，但是水量并没有减少。

理想情况下，应该把整个洞挖出来，然后卸压后把缝堵上，这样水量就减少了，但是不知道能减少多少，也不敢完全堵上，万一水压太高，洞就被压坏了。可能以后水少了，也不排除一直这么多水，要一直抽水。深井实验室将面临这个问题。预计今年年底可以完成土建工作。

广州日报:土建完工后，重点是安装中央探测器及配套设施？

曹骏:实验室大厅长50×80米，已经挖了30多米。下面还有一个50×50米的立柱空，挖土时会同时在地面安装辅助设施。坑挖好后，要建一个大水池。池壁应内衬高密度聚乙烯，内衬完成后才能开始脚手架。

整个池塘将保持很高的纯度，3.7万吨纯水将不断循环，一个2万吨重的球形液体闪烁探测器将浸泡在其中。

实验大厅有两个探测器，一个是探测中微子的中心探测器，一个是反符合探测器。

中心探测器是一个直径35.4米、厚度12厘米的球形有机玻璃罐。有机玻璃板要通过隧道一个一个的运进去，一个大的有机玻璃球通过本体聚合工艺无缝的粘接在地下，耗时最多，预计2021年初完成这个大球。

因为有机玻璃球的安装对材料和力学性能都很有挑战性，所以几年前我们在国内找了三家公司做研究。投标后，厂家改建生产线，已生产出长3米、宽8米、厚12厘米的有机玻璃板过半；所有板材制作完成后，先嵌套成球体，每一块都要用激光测量。

安装后大球会有十几层楼高。大球里充满了液体闪光。球内的液体闪光与球外的水密度不同，未来会承受3000多吨的压力，但有机玻璃球本身太软，支撑不了。所以这个有机玻璃球会装在钢架里，14到15层楼高。我们用500多根棒支撑这个钢骨架，2万根大光电倍增管和2万多根小光电倍增管将分模块安装在钢骨架上。

有机玻璃球建成后，我们将纯水倒入水池，液体闪入大球。我们同时生产和净化，需要半年时间。地面有大型净水设备，可以将自来水净化成高纯水。

液体闪烁主要由烷基苯和一些特殊成分组成。闪蒸液从南京运出后，放入地面储罐中，抽出后，用从意大利运来的设备蒸馏汽提，再用国产设备过滤洗涤，分四步净化。这样，在生产和灌装的同时，每小时可以向球内灌装7吨，预计到2022年底，所有探测器都可以安装完毕。

期待超新星中微子

广州日报:江门中微子项目预计2022年竣工投入使用。作为国家重型武器，有哪些重大发现是意料之中的？

曹骏:中微子研究是最热门的前沿物理。自2012年大亚湾发现第三种中微子振荡模式以来，未来世界上三个中微子实验的重点是宇宙正负物质的不对称性和三个中微子的质量顺序。

江门中微子实验将拥有世界上最大的液体闪烁探测器，拥有2万吨液体闪烁。据估计，每天可以捕获60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子和290个太阳中微子。

江门中微子项目除了探测阳江和泰山反应堆发射的中微子，研究它们的质量序列，测量中微子振荡参数外，还可以用来研究太阳、地球和超新星的中微子。因为探测器比以前更大更先进，我们可以更清楚地看到我们以前研究过的东西，可能会有意想不到的发现，比如超新星研究。

超新星对于宇宙的演化非常重要。超新星中微子有两种:超新星背景中微子和超新星爆发中微子。超新星不断在宇宙中爆炸，不断来到地球，这就是所谓的超新星背景中微子。但是由于距离远，数量极小，人类还没有探测到，江门中微子实验可能是第一个探测到的。它可以给我们很多关于宇宙的信息，比如恒星形成的速率。

另一个是超新星爆发中微子，只持续了10秒。1987年首次被人类看到，被第一代日本神光探测器看到。目前人类只看到了20多个超新星中微子。如果类似的近超新星再次爆炸，江门中微子项目将能够看到5000颗超新星爆炸的中微子。

超新星爆发有三个主要过程:1。崩溃时的中和，只持续几十毫秒；2.坍塌的物质撞击硬核开始反弹，形成冲击波；3.慢慢凉。这三个过程会释放出各具特色的中微子。超新星有不同的理论模型，差别很大。将来一旦测量出来，就可以判断哪个理论更合理，或者我们提出一个新的理论，可能会有非常重要的发现。

我们绝对可以在超新星的背景中看到中微子。超新星爆发中微子靠运气。自1987年以来，没有发生过近距离的超新星爆发，人类也从未见过相关的中微子。

以前日本和美国的实验项目只能看到电子中微子，而我们江门的项目可以看到所有具有液体闪烁的中微子:电子中微子、苗中微子、陶中微子。这三个中微子都在超新星爆发中发挥了作用。

工人们在地下工作。

在车上“聊天”的实验

广州日报:江门中微子实验项目是怎么上来的？

曹骏:第三种振荡模式是之前在大亚湾中微子实验中发现的，具有很大的国际影响力。我们的中微子研究团队已经达到了世界粒子物理学的前沿。

江门中微子实验项目很有意思。自从2007年大亚湾中微子项目启动以来，中国科学院高能物理研究所所长王就非常有远见。他在想:下一步是什么？2008年3月，我们坐在从深圳机场到罗湖口岸的出租车上，一路谈各种可能，最后谈用反应堆测量中微子质量序列。我当时有两个顾虑。一个是工程造价太高，比大亚湾贵10倍；另一个是世界上最好的技术无法制造出所需的探测器。王想了一想，道:“这个很好。”。他说中国经济发展很快，现在感觉很贵，但是十几年后就不会觉得贵了。所需的技术需要十几年才能开发出来。于是回到北京，我们开始写文章，科学地规划实验。

2012年大亚湾中微子实验产生结果，测得的振荡非常大，使得江门实验可行。我们立即向中科院申请江门中微子实验项目，该项目于第二年成立。后来我们设计了探测器，加快了光电倍增管的研发。

广州日报:据报道，大亚湾中微子实验计划将于今年年底退役。你从2003年开始从事大亚湾反应堆中微子实验研究。请谈谈你在实验中难忘的经历以及大亚湾项目对江门项目的影响。

曹骏:我是美国费米实验室的博士后研究员。2003年9月，王邀请我回国。当时国内对中微子的研究很少。第一次设计自己的实验项目，很开心。王提出概念框架，我负责模拟计算，给出各种设计参数。前一两年几乎都是一个人工作，白天晚上都在办公室。

后来有更多的参与者和学生自己培训，但工作仍然高度紧张。记得2011年底，大亚湾实验的数据分析进入关键阶段，面对激烈的国际竞争，整个团队斗志昂扬，争分夺秒地进行研究。一天晚上到凌晨1点，突然想到一个问题，给几个年轻人发了邮件。没想到很快会收到几个讨论这个问题的回复。我说既然没睡，那就开会吧，于是凌晨2点打了个视频会议，当场解决了问题。一批在大亚湾中微子项目受训的年轻人，现在已经成为江门中微子实验项目的骨干。

江门项目带动了技术创新

广州日报:江门中微子实验项目在国内带动了哪些相关的技术创新？

曹骏:大亚湾项目期间，我们找遍了全国，确实没有厂家能做高精度的有机玻璃罐；到了江门项目，有机玻璃球难度增加了很多倍，但是我们调动了国内顶尖的科研力量，和几家厂家合作解决技术问题。比如有机玻璃板弯成球体后，发现透光率下降，我们通过研究解决了。现在我们已经做出了天然放射性本底最干净的有机玻璃。后来连意大利的暗物质实验项目都决定用我们的有机玻璃。

科学家总是想制造最好的设备。工具越好，我们的科学发现能力越强。几乎每一个系统都要进行全面的调研分析，看能做到多远，将厂商的能力推向极致，实现突破。比如国内自主研发的光电倍增管性能已经达到国际先进水平，已经在量产。但是我们觉得还是有改进的空间，所以要求厂家在生产的同时放慢速度，琢磨工艺。事实上，它后来有所改进，现在是世界上效率最高的。

另外还有一些有趣的小专利。例如，安装有机玻璃球需要14万个螺栓，既需要高强度，又需要高摩擦系数。它们在中国没有，但现在我们已经制造出来了。实验期间的每一个特殊要求都会宣传厂家的R&D，或者我们一起去R&D，从而带动一批技术创新。

将建立一个中微子科学基地

广州日报:江门中微子实验项目国际合作情况如何？

曹骏:从大亚湾到江门，我们的国际合作达到了一个更高的水平。大亚湾项目当时以中美合作为主，江门项目现在有意大利、德国、法国、俄罗斯等18个国家和地区，共有40多个国外单位和300多名科学家共同参与。

广州日报:项目完成后有没有科普旅游计划？

曹骏:江门中微子实验项目安装大厅占地数千平方米，建成后将改造成科普博物馆。地方政府对正在设计的科普项目给予了大力支持，还有其他的配套计划。

当时很多人都想去看看大亚湾的中微子实验，但因为是建在核电站里，每年只能去1000人。江门中微子科普基地靠近当地的旅游资源，比如著名的开平碉楼、赤坎镇，每年的游客数量可能达到10万，尤其是如果我们有重大的科学发现。

正文/广州日报全媒体记者张丹

人物/广州日报全媒体记者张丹通讯员刘月香