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四川发布:探秘地下2400米,四川这个全世界最深的地下实验室在研究什么?》
2019-07-23

7月20日,“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”启动仪式在四川省雅砻江锦屏山隧道举行,标志着由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设的中国首个、世界最深的极深地下实验室──“中国锦屏地下实验室” 作为国家重大科技基础设施项目正式启动建设。

近年来我国启动建设的国家重大科技基础设施项目,主要有中国天眼、中国人造小太阳、正负电子对撞机等。在垂直深度达2400米的地下建设这么一个“全世界最深地下实验室”,科学家们究竟要研究什么?又取得了些什么成就呢——▶做什么?“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目,是面向超越当前粒子物理标准模型的新粒子和新物理的重大基础前沿研究

 ▶为什么?便于采取量暗物质粒子与探测器靶核碰撞之后产生的信号,以探测暗物质。

 ▶做成了什么?开展了清华大学主导的高纯锗直接探测合作组(CDEX)、上海交通大学主导的液氙直接探测合作组(PandaX)等暗物质直接探测实验,以及清华大学主导的锦屏中微子实验等,取得了一系列研究成果。

 “中国锦屏地下实验室”所主要从事的,是面向超越当前粒子物理标准模型的新粒子和新物理的重大基础前沿研究,也就是暗物质研究。

人类目前所熟知的物质仅占宇宙总质量的约4.9%,除此之外,人类所“看不见”和“不了解”的暗物质约占26.8%,暗能量约占68.3%。这里便开展暗物质直接探测实验、无中微子双坐车c贝塔衰变实验,以及核天体物理领域关键核素合成过程和恒星演化等基础科学前沿研究。 

简言之,暗物质就是一种“看不见”的物质。实验室工作人员告诉记者,这里所说的“看不见”,不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见,而是说不论探测什么波段的电磁波,比如无线电、红外线、紫外线、X射线等,都看不到它。也就是说,暗物质几乎不发出任何波段的电磁辐射。 

2002年,美国国家研究委员会的报告指出──21世纪的最重要11个物理学前沿研究课题,暗物质位列第一;2008年欧洲推出粒子物理、天体物理和宇宙学长期发展规划,提到的第一项重要研究内容就是暗物质研究;2009年,中国科学院战略研究系列报告《创新2050:科学技术与中国的未来》提出:暗物质是不远的未来可能出现革命性突破的重大基本科学课题。

暗物质理论和实验研究工作将极大扩展人类对于除普通物质之外的宇宙世界的认识,也为人类了解占宇宙更大质量份额的暗能量问题提供研究基础,因而成为当前粒子物理学、宇宙学、天体物理学等学科前沿的研究课题。它将是人类认识宇宙的一次重大飞跃,可能导致一场新的物理学革命。

如何才能找到暗物质?目前普遍认为有三种方法:第一种是利用加速器碰撞,看能否在实验中产生暗物质。第二种是在太空进行间接探测。而第三种就是测量暗物质粒子与探测器靶核碰撞之后产生的信号,一般在地下实验室进行。

中国锦屏地下实验室正是采取第三种方法来探测暗物质。所以,地下2400米是绝佳的实验环境。在探测过程中,暗物质可能会受到宇宙射线的影响,而在地表深处,宇宙射线量仅为表面的约亿分之一。在这个相对“干净”的地方进行实验,可以避免很多干扰因素来“打扰”实验进行。

由“跟跑”到“并跑”

自中国锦屏地下实验室一期建成投入使用以来,已经开展了清华大学主导的高纯锗直接探测合作组(CDEX)、上海交通大学主导的液氙直接探测合作组(PandaX)等暗物质直接探测实验,以及清华大学主导的锦屏中微子实验等,取得了一系列研究成果,在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有,研究水平达到国际先进。

2013年,清华大学领导的CDEX合作组在国际上发表了中国第一个自主暗物质研究成果,研究水平达到国际第一阵营。2014年,合作组又获得了10GeV以下能区里同类探测器最灵敏的实验结果,确定性地排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的暗物质存在区域。2018年CDEX合作组发表了4-5GeV能量区间当时国际最好的暗物质探测灵敏度实验结果。

能量区间的缩小都是一点一滴的进步而得出,这也意味着,我们距离探测到暗物质越来越近,越来越近……未来,合作组将通过不断“升级”探测器,把探测灵敏度再提升两到三个量级,可以同时测量暗物质和无中微子双贝塔衰变两个重大前沿科学问题研究。

交叉创新平台 

在一系列成果的基础上,2018年12月,国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目可行性研究报告获得国家发改委批复,锦屏地下实验室正式纳入国家重大科技基础设施项目,标志着锦屏地下实验室建设进入到新的发展阶段。目前实施的“中国锦屏地下实验室”二期工程,更是将地下可用实验空间由原来的4000立方米增加到30万立方米。

除了中国以外,目前还有美、加、意、英、法、日、韩7个国家拥有具有代表性的地下实验室。“目前来说,中国锦屏地下实验室的实验环境算是最好的。”扎根锦屏地下实验室三年的研究人员景明坤告诉记者。项目建设完成后,中国锦屏地下实验室将具备国际领先的深地物理实验综合条件。有望成为世界深地物理实验的中心,推动我国开展国际级大科学合作,吸引国内外顶尖学者前往开展前沿物理实验,为取得重大物理突破提供基础。与国际上其他的地下实验室相比,中国锦屏地下实验室岩石覆盖最深、宇宙线通量最小、可用空间最大,并且具备交通便捷、电力及水源充足、基础设施完备等优势。

同时,该项目还将提供一个近零宇宙线本底的地下辐射计量平台,可以解决极弱放射性基准测量和低剂量率刻度的难题,为我国建设完善的辐射计量基准提供实施条件,推动海洋科学、材料科学、环境科学、生物学等交叉领域的研究,为这些学科领域提供一个国际一流的极低本底交叉创新平台。日