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?

2019-07-20 14:22:00   四川发布

四川发布客户端消息  “天地玄黄,宇宙洪荒”,人类自古以来就在孜孜不倦地探索着日月星辰乃至浩瀚宇宙的奥秘。从“地心说”到“日心说”,从太阳系到银河系,从“黑洞”到“白洞”……科学的进步一次次刷新着人们对宇宙的认知。

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。

听起来很复杂?那么这个实验室究竟是做什么的呢?

记者通过实地探访得知,这是一所从事暗物质探测和开展相关学科研究的实验室,其中还包括低本底的测量和研究。暗物质探测器和低本底测量装置都安装在世界岩石覆盖最深,其垂直深度达2400米并具有世界一流实验环境的中国锦屏地下实验室。

△中国锦屏地下实验室(一期)

我们首先得明白,什么是暗物质?

据普朗克卫星研究结果显示表明,我们所熟知的普通物质仅占宇宙总质量的约4.9%!这些普通物质构成了恒星、星系等可见宇宙。而宇宙中不可见的暗物质约占26.8%,其余68.3%则为暗能量。

△图据中国锦屏地下实验室

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。

我们为什么要研究暗物质?

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。

△中国锦屏地下实验室内部

系列报告为证: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。

为什么实验室要建在极深地下?

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。

△除了在极深地下拥有天然岩石保护之外,探测器还需要多种屏蔽材料以屏蔽不同的干扰

目前,我们做成了什么?

记者了解到,“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”已于2018年12月被正式纳入国家重大科技基础设施项目。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。

△中国锦屏地下实验室一期

与国际上其它的地下实验室相比,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。

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,由“跟跑”变成“并跑”。

 △上海交通大学合作组正在对液氙回收管道进行抽真空工作

探测到暗物质有多难?“就像大海里面捞根针!”已扎根实验室三年的实验工作人员景明坤这么向记者形容。“不过,我们有世界上最优秀的实验环境,我相信,(锦屏地下实验室)二期建成投入实验后,我们将加快拉开与世界其他实验室的差距。”由“并跑”变成“领跑”,已不是太遥远的事情……

四川发布客户端记者 周俐君


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