江门中微子实验(位于广东省江门市的中微子实验站)

江门中微子实验（Jiangmen Underground Neutrino Observatory），又称江门地下中微子观测站（JUNO），是一个多用途的中微子实验，旨在通过探测阳江市和台山核电站的反应堆中微子，观察超新星中微子，研究大气中微子，太阳中微子和地球中微子，并进行奇异搜索，确定中微子质量等级和精确测量振荡参数。江门中微子实验地点位于广东江门开平市金鸡镇、赤水镇一带的打石山。

2015年，江门中微子实验开始建设，建设内容包括位于地下700米的地下洞室、大型的水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套的设施。实验本身不产生废气、废液等有害物质，对周围环境也不产生有害影响。2022年9月，江门中微子实验探测器雏形初现。2023年6月，江门中微子实验地下探测器完成不锈钢网架安装。2024年10月，江门中微子实验的中心探测器内部、世界最大的单体有机玻璃球全部建成。12月18日，江门中微子实验液体灌注启动。

江门中微子实验将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题：中微子质量顺序，不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理、乃至地球物理学做出重大贡献。江门中微子实验将带动建立一支国际领先的科研团队，使中国的粒子物理研究走在世界前列，并带动国内相关企业的技术创新，为实现科技强国战略做出重要贡献。

建设历程

2015年1月10日，继大亚湾反应堆中微子实验之后，由中国主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验在江门市开平市金鸡镇召开建设启动会，前来参加实验国际合作组会议的中外科学家近300人齐聚实验建设现场。2019年7月，江门中微子实验基础建设进入地下实验室开凿的关键阶段，预期2022年完成建设，未来有望揭开中微子质量顺序的谜底。

2020年12月12日，中国第一代中微子实验装置——大亚湾反应堆中微子实验(大亚湾实验)装置，在实现原定科学目标、完成科学使命后已正式退役。大亚湾实验负责人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳院士表示，江门中微子实验预期2022年完成建设，它利用阳江市和台山市两个核电站群产生的中微子，在不远的将来，将揭开中微子质量顺序的谜底，并在中微子振荡参数的精确测量、天体中微子、地球中微子、新物理寻找、研究超新星等方面取得国际领先的科学成果。2030年左右，江门中微子实验可以升级改造为世界最大的无中微子双β衰变实验，测量中微子绝对质量，判断其反粒子是否是其自身。

2022年5月，在位于广东省的江门中微子实验地下700米的实验大厅内，为实现有机玻璃球自上而下逐层安装的升降平台已安装完毕并顶升至38米，正如一个巨型“变形金刚塔”，为下一步有机玻璃球安装工作做好了准备。2023年6月15 日，江门中微子实验地下探测器目前已完成不锈钢网架安装，预计2024年建成运行，届时将成为国际中微子研究的中心之一。截止2024年03月，中心探测器安装已完成70%，并同步进行液闪混制与纯化设备、反符合探测器等安装、调试，预计2025年建成并运行取数。

2024年7月1日至5日，江门中微子实验在广东江门开平市召开了第24次国际合作组大会，来自12个国家和地区的239名科研人员参加了会议。JUNO的总体工作进展如下，有机玻璃球的安装进度超过80%，光电倍增管、电子学、磁屏蔽线圈、Tyvek反射膜等其他部分的安装紧随其后、有序进行。液闪纯化设备完成了新一轮联调，液闪质量在线监测探测器OSIRIS开始调试。各子系统、物理分析工作组在会上汇报了各自的工作进展，会议还决定第25次JUNO国际合作组大会将于2025年1月13日到17日在开平举行。2024年10月11日，江门中微子实验的中心探测器内部、世界最大的单体有机玻璃球已经全部建成。11月，江门中微子实验探测器主体预计20日建成。12月18日，江门中微子实验液体灌注启动，经过层层过滤的超纯水以每小时100吨的流量注入探测器水池内，这是江门中微子实验建设的最后一个关键节点。液体灌注工作分两步，前2个月将超纯水灌满中心探测器有机玻璃球内外空间，再用6个月将有机玻璃球内部的超纯水置换为液体闪烁体。预计2025年8月完成全部灌注任务，开始正式运行取数。

实验地点

江门中微子实验将建于广东江门开平市金鸡镇、赤水镇一带的打石山。

实验原理

江门市实验的中微子探测器示意图：球形的中微子探测器置于水池中心，上下与四周均被2米以上的水包围以屏蔽本底，在水池顶部采用径迹探测器作为反符合探测器，钢网架上安放光电倍增管以探测中微子。

液体闪烁体是探测中微子的介质，被密封在钢和聚甲基丙烯酸甲酯制作的容器中，然后浸泡在一个巨大的水池中。当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极微弱的闪烁光，从而被光电倍增管探测到。除了探测器内安装光电倍增管外，水池中也会安装光电倍增管，用来探测宇宙线。

水池的内壁放置光电倍增管（PMT）探测宇宙射线。实验所采用的2万吨液体闪烁体探测器能量分辨率达到了前所未有的3%，液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光，从而被光敏器件（光电倍增管）探测到。液体闪烁体99.7%的成份是十二烷基苯，是日用洗涤剂的主要原材料，具有无毒、易生物降解、火灾风险低等优点。

实验目标

中微子的质量顺序，是国际中微子研究的核心问题。日本、美国、欧洲、印度、韩国等5个国家有7个实验正在计划或已进行这方面的研究。江门中微子实验将测量中微子质量顺序，精确测量中微子混合参数，同时也将研究大气中微子、太阳中微子、超新星中微子、地球中微子等，具有丰富的物理目标。

中微子是标准模型中的基本粒子，有三种类型的中微子，称为νe、νμ和ντ。中微子味态是三个质量本征态（ν1、ν2和ν3）的叠加，它们在传播过程中发生量子干涉，导致中微子味态发生变化。这种现象称为中微子振荡或中微子混合。振荡的幅度与混合角θ12、θ23和θ13有关。振荡频率由中微子质量的平方差Δ m2 ij =m2i-m2 j决定。

θ 12和Δ m221是由太阳中微子实验和反应堆中微子实验KamLAND测量的，θ 23和Δ m221是由太阳中微子实验和反应堆中微子实验KamLAND测量的。|Δm 232|通过大气和加速器中微子实验测量。最后一个未知的混合角θ13是由大亚湾反应堆中微子实验，以及其他反应堆中微子实验Double Reinz和里诺，以及加速器中微子实验T2K和MINOS确定的。这些测量开启了中微子实验的新纪元，下一代中微子振荡实验将集中于确定Δ m232（质量等级）的符号，精确测量所有振荡参数，寻找中微子振荡中的CP破坏。

JUNO的主要目标是通过精确测量距离反应堆约53公里处的反应堆电子反中微子能谱来确定中微子质量等级。提出了一种基于Δ m232和Δm231驱动的两个不同振荡频率分量相互干扰的相对测量技术，在单堆单探测器的理想情况下，灵敏度可达Δχ2>16，考虑堆芯分布和探测器响应的不确定性时，灵敏度可达Δχ2>9。如果以1%的精度加入由加速度实验测得的Δ m2μμ的绝对值（它是Δ m232 ）。

JUNO将把Δ m221、Δm232和sin2θ12的精度提高到优于1%。考虑到大亚湾核电站对sin2 θ13的测量精度可以达到4%左右，因此中微子混合矩阵的么正性可以探测到1%的水平。此外，JUNO还有其他科学可能性，如超新星中微子，地球中微子，太阳中微子，大气中微子和奇异搜索。

实验装置

江门中微子实验包括位于地下700米的地下洞室、大型水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套的设施。

江门中微子实验距离阳江市和台山核电站约53公里，阳江已建成6座反应堆，台山已建成2座，这些反应堆的规划总火电量为36吉瓦。方圆200公里内没有其他核电站。一座270米高的花岗石山为宇宙μ子提供了良好的屏蔽，而宇宙μ子是本底的主要来源。为了进一步抑制μ介子诱导的背景，探测器被设计成通过隧道位于地下深处，总覆盖层将是700米的岩石。实验建设将于2014年开始，2025年完成，包括一个隧道，一个地下实验大厅，一个水池，一个中心探测器，一个μ子跟踪探测器和一些附属设施。

大型水池

江门中微子实验2015年开始建设，计划2023年底建成并开始运行取数。建设内容包括：位于地下700米的地下洞室、大型的水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套的设施。实验本身不产生废气、废液等有害物质，对周围环境也不产生有害影响。

2万吨的液体闪烁体探测器，位于地下700米，能量分辨率达到前所未有的3%。液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光，从而被光敏器件（光电倍增管）探测到。液体闪烁体99.7%的成份是十二烷基苯，是日用洗涤剂的主要原材料，具有无毒、易生物降解、火灾风险低等优点。液体闪烁体密封在钢和聚甲基丙烯酸甲酯制作的容器中，然后浸泡在一个巨大的水池中。水池中也安装光电倍增管，用来探测宇宙线。

中心探测器

中心探测器装有20 kton的LAB基液体闪烁体，当中微子通过探测器时，其中很小一部分与液体闪烁体相互作用，产生闪烁光，周围的15，000个20”和25，600个3“光电倍增管（PMT）可以看到闪烁光。基于光电倍增管的电荷和时间信息，可以重构单射中微子的能量和相互作用顶点。能量分辨率大致与探测到的光子电子的平方根成反比。为了达到质量等级的预期灵敏度，能量分辨率必须在1 MeV时优于3%，对应于每MeV 1，200个光子电子，这比最先进的探测器（如BOREXINO和KamLAND）性能要好得多。技术挑战是具有高效率和高透明液体闪烁体的新型PMT。

水池保护中央探测器不受周围岩石中天然放射性的影响。它也可以作为一个水切伦科夫探测器后，配备了光电倍增管，以标记宇宙μ子。水池顶部还有一个μ子跟踪探测器，用于提高μ子探测效率，获得更好的μ子跟踪。

信号和背景

反应堆电子反中微子在液体闪烁体中通过逆β衰变（IBD）反应与质子相互作用，并释放出正电子和中子。正电子迅速储存能量，提供即时信号。正电子的能量携带着中微子的大部分动能，中子在平均200μs后被质子捕获，然后释放出2.2 MeV的γ射线，提供了延迟信号。时间延迟信号的重合提供了一个独特的反中微子特征。估计IBD反应率约为40/天。

占主导地位的背景是偶然事件，来自两个不相关的反向辐射相互作用，随机满足逆β衰变反中微子选择的能量和时间相关性。它被设计为低于IBD信号的10%，并且可以在数据中精确测量。宇宙μ子（英语：Cosmogenic β-n isotope 9 Li/8He）和快中子也是宇宙背景辐射的主要来源。在适当的μ子否决后，两者都小于1%。

实验意义

粒子物理是最重要的科学前沿之一。中微子研究是国际粒子物理研究的热点，也是唯一有实验证据超出粒子物理标准模型，可以取得重大突破的方向，是粒子物理、天体物理和宇宙学研究的交叉。中国大亚湾实验已在这一世界前沿热点领域取得重大成果，发现了中微子第三种振荡模式，打开了理解反物质消失之谜的大门。江门中微子实验将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题：中微子质量顺序，不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理、乃至地球物理学做出重大贡献。江门中微子实验将带动建立一支国际领先的科研团队，使中国的粒子物理研究走在世界前列，并带动国内相关企业的技术创新，为实现科技强国战略做出重要贡献。