江门中微子实验使用的2万多只20英寸光电倍增管，就如同探测中微子的“眼睛”。浙江民企为这些“眼睛”打造的有机玻璃保护罩，为何成为江门中微子实验建成和顺利运行的关键安全保障？近日，记者赴广东省江门开平市，探访这个位于地下700米深处，目前世界最大、最灵敏的中微子探测器。
已安装完成的光电倍增管。记者 王志杰 摄
数万只“大眼睛”期待守护
江门中微子实验的地上建筑群仿若白色的珍珠，镶嵌在青山之中。从一旁的竖井口乘坐罐笼向下，5分钟左右就能来到地下700米深处的实验大厅。
走入实验大厅，首先映入眼帘的是一个直径35.4米的中空透明有机玻璃球，位于44米深的圆柱形水池中央。
江门中微子实验项目现场安装经理、中国科学院高能物理研究所正高级工程师秦中华介绍，这是江门中微子实验的核心探测设备——中心探测器。
广东江门中微子实验探测器主体。记者 王志杰 摄
探测器最外层是直径41.1米的球状不锈钢网壳，网壳上安装着2万多个20英寸光电倍增管和2.5万个3英寸光电倍增管。这些外形如同大型灯泡一样的光电倍增管有着金色的玻璃外壳，就像一双双明亮的眼睛，凝视着网壳中间的有机玻璃球。有机玻璃球安装在网壳向中心伸出的支撑杆上，像水晶球一般晶莹剔透。
秦中华说，有机玻璃球中将灌入2万吨液体闪烁体，这将成为世界上体积最大、能量精度最高的液闪探测器。有机玻璃球外侧，则会灌注3.5万吨超纯水，用来屏蔽来自实验室周围山体的辐射。
进入液闪的中微子，会有极少量与其发生反应，产生一个大约含有几万个光子的微弱闪烁。这道肉眼无法看到的微光，将被周围数万个光电倍增管捕捉、转换成电信号，从而获得研究所需的相关数据。
而光电倍增管就是探测中微子的“眼睛”，它们浸泡在40多米深的超纯水中，要承受将近5个大气压的压力。20英寸的光电倍增管直径超过50厘米，内部为真空，在水下的高压环境中有发生内爆的风险。如果没有保护措施，一旦某个光电倍增管发生内爆，就会在超纯水中产生强烈的冲击波，从而引发连锁反应，造成周围的光电管链式殉爆。
“江门中微子实验光电倍增管之间的间距只有2厘米，如果发生内爆，所有光电倍增管都难以幸免。”秦中华说。
如何让光电倍增管在40多米深的水中安全工作30年，一度成为整个实验面临的工程难点之一。解决的方法，是为每个光电倍增管装一个透明保护罩。一旦某个光电倍增管发生爆炸，保护罩可以限制冲击波的强度和范围，从而保护其他光电倍增管不受影响。
江门中微子实验于2013年立项之初，就将光电倍增管防护罩纳入关键核心技术攻关项目。然而，看似简单的保护罩，对成品的强度、透光率、收缩率以及加工误差都有极高的要求，相关研发一直未果。直到2020年6月，浙江华帅特新材料科技有限公司研发的有机玻璃保护罩成功通过验收，最终拿下这只江门中微子实验的“拦路虎”。
位于广东江门开平市的江门中微子实验室一角。记者 王志杰 摄
在700米的地下仰望星空
“江门中微子实验将于明年8月开始正式取数，每天大约能捕捉到47个中微子产生的闪光。我们第一阶段的实验主要目的是测定中微子的质量顺序。第二阶段我们还将进行无中微子双β衰变实验，回答中微子是否为自身反粒子这一重大科学问题。”秦中华说，这将使中国在中微子研究领域的国际领先地位得到进一步巩固。
在全球中微子研究领域，中国、美国、日本三足鼎立。目前，除了中国的江门中微子实验，还有两个新一代的中微子实验正在建设，分别是日本的顶级神冈中微子实验和美国的深地中微子实验。从投入运行时间来看，江门中微子实验将早于日本3年、美国6年。
研究设施越早投入运行，就能越早得出成果，这对于科学家的意义不言而喻。“在理论物理研究上，科学是无国界的。但科研采用的技术是有国界的。”秦中华说。
除了有机玻璃保护罩，江门中微子实验有更多鲜为人知的细节。
比如实验的选址。为了屏蔽宇宙射线的干扰，实验装置需要安装在700米的地下。中微子实验选择江门，是因为这里距离广东阳江和台山两个核电站都约53公里。核电站的反应堆能为实验提供充足的中微子来源，而53公里是测量反应堆中微子质量顺序的最佳距离。这就要求科研人员在南方地质条件复杂的山体中挖出一个700多米深的地下实验室，解决超大跨度硐室围岩变形控制、富水条件安全高效施工等世界级工程难题。
比如安放液体闪烁体的有机玻璃球。这个玻璃球由263块12厘米厚的面板粘接而成，重约600吨，是世界最大的单体有机玻璃球。等比换算来看，厚度比鸡蛋壳还薄，却要承担住内部的液体闪烁体和外部的超纯水因密度不同带来的巨大浮力。
再比如光电倍增管。大尺寸光电倍增管曾被日本一家公司垄断，最高时要价5000美元一个。2018年，中国科学院高能物理研究所牵头联合北方夜视、中国科学院西安光学精密机械研究所等单位攻克技术难题，实现20英寸光电倍增管国产化，打破国外垄断，并且做到探测效率为世界最高……
“中微子研究有助于我们破解宇宙的秘密。我们常说，我们是在700米的地下仰望星空。”秦中华说。
光电倍增管最外层，为华帅特生产的有机玻璃罩。记者 王志杰 摄
截至目前，全球共有四次诺贝尔物理学奖颁发给了与中微子相关的研究。我们期待，江门中微子实验，那些在地下700米仰望星空的眼睛，能够在浙江民企研发成果的保护下，早日看到更多宇宙的奥秘。