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中国首个极深地下实验室投用欲擒“看不见摸不着”的暗物质

来源:本站编辑    阅读:2346    发布时间:2015-11-17

中国首个极深地下实验室投用欲擒“看不见摸不着”的暗物质

 

18公里长的隧洞内、约2500米的岩石覆盖层下,中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”12月12日在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用。专家表示,这标志着中国已具备开展物理学重大基础前沿科学研究的自主地下实验平台,对于推动中国重大基础前沿课题的自主研究和应用研究意义重大。中国的科研工作者将在这里开展“捉拿”看不见摸不着的“暗物质”的相关研究。

中国建成的首个极深地下实验室有何特点?科研工作者将在这里做什么呢?

岩石覆盖最深的地下实验室

地下实验室、尤其是极深地下实验室,是开展粒子物理与核物理学、天体物理学及宇宙学等领域的暗物质探测研究、中微子物理实验研究等一些重大基础性前沿课题的重要研究场所,是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境,也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。

清华大学副校长康克军介绍,目前,美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等国家都建有很好的地下实验室。此前我国一直没有很好的地下实验室,特别是极深地下实验室,以致许多相关领域的研究工作无法开展或只能与国外有条件的实验室联合开展。

建设二滩水电站的过程中,四川锦屏山底曾修建了18公里的隧道。这条隧道除了有约2500多米的岩石覆盖层外,洞内岩体天然放射性极低,非常适合开展暗物质探测等基础科学领域的探测试验。20095月,清华大学与二滩公司签订战略合作协议,决定利用锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度国际最大,能将宇宙线通量降到地面水平的千万分之一至亿分之一,为相关实验提供“干净”实验环境的优势,建设中国首个极深地下实验室。

现在的地下实验室,就是利用这条隧道,在其侧面挖出的一个长40米,宽、高各为6米的空间。目前,它是世界上岩石覆盖最深的地下实验室,也是世界上最优越的探测暗物质的环境。

最“干净”的地下实验室

“中国锦屏地下实验室”是目前世界最深的地下实验室,专家表示,它也是世界上最“干净”的地下实验室。

地下实验室主要是用来遮罩高能宇宙线对于暗物质的本底影响。锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度大,围岩放射性含量极低,能为相关实验提供“干净”的环境,因此可以帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。

所谓“干净”,是指辐射最少、杂质最少。专家介绍,世界上最难挡住的就是宇宙射线,要打造一个最理想的实验环境,就要尽量遮蔽住宇宙射线,而用岩石阻挡是好办法。锦屏隧洞最大埋深约2500多米,已经超过了加拿大的岩石覆盖厚度2000米的斯诺实验室,能将宇宙射线通量降到地面水平的约亿分之一。

而为了让实验室变得更“干净”,工作人员还对环境进行了特殊的包装。研究人员表示,实验室外层是1米厚的聚乙烯材料,用于阻拦和吸引中子;然后是20厘米厚的铅层,用于屏蔽外部的伽马射线;20厘米厚的含硼聚乙烯,用于吸收剩余的中子;10厘米厚的高纯无氧铜,用于阻挡铅材料及外部其他材料中伽马射线。这些屏蔽设备几乎屏蔽掉了能够想到的一切辐射源,最里面才为“捕捉”暗物质的精密仪器——高纯锗探测器的工作空间。

经过层层屏蔽后,如果通过高纯锗探测器能够探测到未知的粒子,可以通过实验装置反映在相连的测量装置上,通过对不同的波形反馈的分析,以获取未知粒子的各种测量参数,从而可能发现暗物质中的一种。

无需24小时“守在”地下

二滩公司总经理陈云华表示,建设“中国锦屏地下实验室”,是二滩公司积极履行国有企业社会责任、以“产学研”合作方式助推国家基础科学研究的一项重大举措。

这个地下实验室,是利用二滩水电站锦屏山底隧洞建成,因此与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比,使用更为便利,不必坐着电梯上上下下,乘坐汽车就能“入地”。

研究人员表示,从地面上开车大概20分钟,就能到达地下实验室。因为是在地底下,“那里四季恒温,冬暖夏凉,不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是,那里没有窗户,刮风下雨丝毫感觉不到,进去久了也容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。”

不过研究人员也表示,一旦仪器运行稳定后,只需在地面上的办公室监控探测器运行即可,而地下实验室的所有数据也会传送至地面,因而,科研人员无需24小时“守在”地下。

 

专家解读“暗物质”

2500米地下抓“幽灵”

 

几年前,中国影星刘烨曾出演美国电影《暗物质》。片中,他饰演的中国赴美留学生怀抱诺贝尔奖的梦想,一心探索暗物质这一世界前沿科研领域的奥秘,并凭借自己的勤奋和天才在研究上取得重大突破。

暗物质到底是什么?有何奥秘?暗物质研究难在哪里?

何为“暗物质”?

茫茫宇宙中,也许存着我们看不见的物质。暗物质被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题,它代表了宇宙中90%以上的物质含量,它们既不发光也不吸收光,而我们可以看到的物质只占宇宙物质总量的10%不到。

在宇宙学中,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明:我们目前所认知的部分大概只占宇宙的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。

几十年前,暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物,现在众多科学家已接受暗物质是宇宙的重要组成部分的观点,并认为是暗物质主导了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了。

黑洞即为目前人们所知的一种暗物质。而暗能量在宇宙中更像是一种背景,它就像是空气对于我们,或者是大海对于鱼儿一样,根本让人感觉不到它的存在,但它确确实实的存在着,且起着非同一般的作用。所以又有人把暗能量称之为“真空能”,在物理上它表现得更像一个真空。

怎样“捉拿”暗物质?

最初的办法是天文观测法,但是,却无法解答“暗物质是什么”。后来,人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者,是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号,一般通过地面或太空望远镜探测;后者,则是用原子核与暗物质碰撞,探测碰撞产生的信号。而在地面上,因为宇宙射线众多,这些信号会对直接探测产生干扰,影响其鉴别能力。因此,地下实验室的建成可帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。

“捉拿”暗物质为何不易?

因为暗物质在宇宙中是一种颇有“个性”的粒子,它品质很大,但作用力却微乎其微。“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体,但你却感受不到,这是因为暗物质的散射截面很小。”专家为此打比方说,这就像一只足球能被球网挡住,但是一个小铁球就能穿网而过,这是因为它的截面比球网的网格要小。

“抓”住暗物质后能干什么?

目前,清华大学实验组已进驻地下实验室,上海交大的实验组明年也将入驻。两个实验组的探测方式并不相同。清华采用低温半导体开展探测,而上海交大将使用液氙探测器直接探测。 至于探测到暗物质之后能派上什么用场,这对科研人员来说仍是未知数。“粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘,对未来的生活会发生怎样的影响,我们现在还不得而知。就像电被发明时,人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何,每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步,这是最了不起的事。”专家如是说。(来源:《工人日报》)

 

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