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藏身2400米岩石下:极深地下实验室如何探测宇宙

一则扩建的消息再次让全世界科学家将惊喜的目光投向中国锦屏——8月1日,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署了共同建设“中国锦屏地下实验室”二期工程的合作协议,标志着这个国际上垂直岩石覆盖最深、我国第一个极深地下实验室的扩建工作正式启动。

这同时意味着,在全球科学家竞相角逐的暗物质探寻之旅上,中国科学家有望结束以往去国外借用地下实验室的时代,实现“在世界上最安静的地方,得到最灵敏的实验结果”的梦想。

藏身2400米岩石下:极深地下实验室如何探测宇宙?

  这是“最干净”的地下实验室

暗物质究竟是什么?为何吸引全球科学家深入地下、痴迷找寻?

这是21世纪初,美国上百位物理学家列出11个重要问题的“榜首”。科学家发现,人们目前所认知的部分只占宇宙的4%,暗物质占了宇宙的23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质不发光、不能被肉眼直接观察到,每天可能有几万亿个暗物质粒子穿过人体,每年却只有一个或者两个原子核与暗物质发生碰撞,而它对星球的干扰却是可以探测到的。

信号如此微弱,捕捉暗物质的条件也就变得相当苛刻。“这需要非常洁净的空间,不能有大震动,不能有太多宇宙线粒子,不可以有太多的放射性。”清华大学工物系副教授岳骞介绍。

2010年12月,4000立方米的中国锦屏地下实验室一期低调投入使用,旋即以其一流的综合条件吸引全世界科学家瞩目,被视作“最干净的地下实验室”,甚至有外媒激动地表示“物理学家的家在四川”。

“最干净,就是指辐射、杂质最少。”锦屏地下实验室主任、清华大学教授程建平介绍,锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖达2400米,是国际上岩石覆盖最深的地下实验室。只有在这样的极深地下实验室里,高能量的宇宙线才能够被尽可能地屏蔽,为暗物质探测等重大基础性前沿课题研究提供尽量“干净”的辐射环境。而测量发现,实验室周围的岩石纯度也非常高,其放射性核素含量很低。

扩建,为进一步提高暗物质探测灵敏度

锦屏地下实验室建成后,清华大学主导的中国暗物质实验(CDEX)在这里尽情“施展拳脚”。而在此前,中国物理学家不得不在国外通过借用实验室的方式开展暗物质研究。

2013年9月,CDEX在国际权威物理期刊《物理评论D》上发表首个研究成果。这是我国在暗物质研究领域第一次发出自己的声音,该实验成果在低能区达到了国际一流水平。

然而,要进一步提高暗物质探测的灵敏度,取得突破性的暗物质研究成果,必须建设吨量级的探测器。没有足够的实验室空间来容纳吨量级探测器系统的问题,就这样摆在了研究人员的面前。与此同时,国内外多个学科的许多研究团队都提出了在该实验室开展科研的意向。

“我们用的高纯锗探测器是自主研发的,将近1公斤,是世界上单体质量最大的点电极高纯锗探测器。但锦屏实验室已没有足够空间容纳吨量级探测器系统了。”岳骞说。

程建平也越来越感觉到,世界科学家的目光开始向锦屏聚焦,“在物理学乃至整个自然科学研究领域,对极端深地实验室的需求是非常旺盛的。这么好的一个地方,如果不扩大提供给全世界科学家来用,实在太可惜了”。

最前沿科研项目可进实验室

中国锦屏地下实验室二期工程将包括4组共8个实验室及其辅助设施,总容积将达到12万立方米,能容纳更多深地科学项目同时开展,并有望逐步成为国家级面向世界开放的基础研究平台。

扩建后,什么样的科研项目有资格进入锦屏地下实验室?

在程建平看来,首先必须是最重大、最前沿的研究课题,这是最为严格的判断标准;其次,研究项目所要求的实验空间也不能超出锦屏地下实验室的容纳限制。在此基础上,将由国内外知名科学家组成的实验室学术委员会负责评定。而在优先满足国内科学家的研究需求基础上,该实验室也将面向世界开放。

“以前的国际合作多是我们到国外去参与科研项目。现在国外的科学家要到我们这里参与研究,这就会遇到一些新问题。”程建平说,这不仅需要提供良好的实验室硬件条件,也需要建立好的实验室运行管理机制,使来自世界各地的科学家都能充分自主地开展科研。

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