光电倍增管，大的是20英寸光电倍增管，共2万只；小的为3英寸光电倍增管，共2.5万只。中科院高能物理所供图。
“中微子很难和物质发生反应，但它们打到液闪中的发光物质上，会发出极微弱的光。科研人员需要用光电倍增管，将微弱的光信号转换成电子信号后再放大1000万倍。”马骁妍说，光电倍增管之间的间隙仅为3毫米，紧密排列是为了减小死区，从而探测到更多的光子。
探测器研制最难的一道关，就是世界上探测效率最高的光电倍增管。
在江门中微子实验之前，20英寸光电倍增管的生产被日本滨松公司垄断。徐美杭是中科院高能物理所实验物理中心光电倍增管测试与防护系统的骨干。她说：“当时一只管加上后面的防水封装，市场价大概是5万元，滨松公司知道我们正在研制后，给我裸管的报价降到了3.3万元。”
按照一根管子5万元计算的话，光2万只管子就要10亿元，而实验的总投入才20亿元。如果光电倍增管不能做到国产化，国外厂家的要价不可能降下来。“在中科院高能物理所的牵头下，科研团队一边加紧国产化研制，一边向外界传递出‘我们能做出来’的积极信号。”
“核心关键技术设备的自主可控，对实现基础科学研究的目标是极其重要的。我们不仅要做到国产化，还要将指标做到国际领先。”王贻芳说，经过无数次的实验探索和联合攻关，2020年，1.5万只国产光电倍增管全部出厂并通过验收。“光电倍增管在上世纪30年代就被发明了，在过去的七八十年间，它的探测效率基本维持在10%-15%之间。”他说，此次国产光电倍增管探测效率大于30%，相比之下，日本滨松光电倍增管的效率也只达到28.5%。
光电倍增管需要在水里工作，所以必须进行防水封装。防水封装的难点在于，其失败率要求非常苛刻——六年的失败率不能超过0.5%。也就是6年里，200个光电倍增管中只能有1个因漏水而损坏。而此前，国际上其他中微子实验的这一数字通常为5%以上。
“虽然要求前六年的数据，但我们的实验都是按照20年来做的。”徐美杭说，团队制作了200个模型，给它们创造了加速老化的环境，再进行水压试验，计算防水封装的可靠性。
光电倍增管防护还有另一个必须关注的问题——防止在水中产生链式爆炸。由于光电倍增管内部是真空，一旦一个发生爆炸，水下冲击波会导致一连串光电倍增管爆炸，像被点燃的鞭炮一样，被称为“殉爆”。2001年，日本超级神冈实验注水时，就发生过这样的灾难性事故，损失了8000多个光电倍增管。“为了防止殉爆的发生，我们给每个光电倍增管都加装了由有机玻璃和不锈钢组成的防护罩。” 徐美杭说。
记者采访当天，第一批光电倍增管从测试与封装基地运达江门中微子实验室，将被运往700米的地下。“感觉像呵护了多年的孩子要离家独自生活了一样，有点舍不得，但前方的路我们已经铺好了。”她说。
科学目标
所有设备就位后，浸泡着探测器的水池将注满高纯水，以屏蔽中微子之外的其他物质。明年夏天，水池上方将用氮气封住，并盖上“黑盖子”，将光和空气隔绝。江门中微子实验设计寿命是30年，盖子再度开启，要等到30年后。
如果不是近距离感受大科学装置，很难想象这样一个“超级工程”，要处置的繁杂细节如此之多。被问及是否焦虑，江门中微子实验的“总指挥”王贻芳给出了否定的答案。“所有最难的问题已经提前得到解决。”
目前国际上共有三个大型中微子实验。王贻芳说，中国的江门中微子实验、日本顶级神冈实验、美国DUNE实验的科学目标有相似的地方，包括中微子质量测序等，“但我们将比他们早4-5年”。
研究中微子对理解宇宙演化具有很重要的意义。“中微子质量的大小和每个人都有关系，如果其质量为0，宇宙中的密度涨落不会存在，宇宙可能是平静、死寂的，没有星系、银河系、太阳和我们”。
同时，中微子是研究天体和地球内部的探针，将在检验超新星爆发机制、验证地球物理模型、研究太阳物理等方面发挥关键作用。江门中微子实验预计每天能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子以及上千个太阳中微子。
超新星对于宇宙的演化非常重要。据王贻芳介绍，超新星爆发后，其能量的99%以上是由中微子发出的。1987年，日本物理学家小柴昌俊成功观测到10个超新星爆发时的中微子，由此获得了2002年诺贝尔物理学奖。截至目前，人类总共才看到20个超新星爆发中微子。如果类似的近距离有超新星再爆发一次，几秒之内，江门中微子实验就可以看到5000个超新星爆发中微子。
根据理论计算，在银河系中，每100年有2次左右的超新星爆发。但目前，人类已经有400年没有观测到银河系内的超新星爆发。他说，希望江门中微子实验在“有生之年”可以赶上一次。
同时，宇宙中还存在大量超新星遗迹中微子，是以往超新星爆发产生的。“理论上有，但目前没有人看到过。我们希望实验可以首次看到超新星遗迹中微子，这对我们理解超新星爆发的模型、能谱和整个过程非常重要。”
王贻芳称，实验运行的10年内，随着数据量不断积累，将解决中微子质量测序问题，下一步，实验将探索无中微子双β衰变问题。
2023年，江门中微子实验将完成建设，逐步开始取数。届时，世界将为之瞩目，期待着它带来新的发现。
新京报记者 张璐
编辑 陈静 校对 刘军
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