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                    作者:秦志偉 來源: 中國科學報 發布時間:2019/7/25 8:38:11
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                    在黑暗中探索科學之謎

                    中國錦屏地下實驗室二期項目施工現場

                     

                    本報記者 秦志偉

                    自80年前暗物質概念被提出以來,科學家對其進行的探測實驗就從未停止。

                    位于四川省涼山彝族自治州的錦屏山交通隧道,是世界第二深埋隧道。這里也吸引著全世界探尋暗物質的科學家的目光。

                    2010年12月12日,由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司建設的我國首個、世界最深的極深地下實驗室——中國錦屏地下實驗室(CJPL)正式啟用,標志著我國從事暗物質探測的科學家終于有了自己的地下實驗室。

                    今年7月20日,中國錦屏地下實驗室作為“十三五”期間優先布局的10個國家重大科技基礎設施項目之一,正式啟動二期建設。這意味著中國錦屏地下實驗室將由校企合作平臺升級為國家平臺。

                    清華大學工程物理系研究員、中國錦屏地下實驗室副主任李元景告訴《中國科學報》,二期項目建設完成后,中國錦屏地下實驗室有望成為世界深地物理實驗的中心,推動我國開展國際級大科學合作,吸引國內外頂尖學者前往開展前沿物理實驗,為取得重大物理突破提供基礎設施保障。

                    科學家期待,這個“黑暗”的地下實驗室能在探測暗物質上取得重要進展,進而揭開21世紀現代物理學天空中的“兩朵烏云”(暗物質和暗能量)之謎。

                    等待一次載入史冊的碰撞

                    人類對宇宙真的了解嗎?答案是否定的。

                    今天,我們可以觀察到幾乎所有波段的宇宙,但出乎很多人意料的是,我們所“看”到的浩瀚宇宙竟然只是它的一小部分,除此之外大部分是沒有觀察到的暗物質和暗能量。

                    天文學的眾多觀測數據和結果表明,暗物質廣泛存在于宇宙的各個角落,約占整個宇宙物質質量的85%。 然而,截至目前,暗物質還是基于宇宙觀測中引力效應的大膽猜想,尚無法直接在實驗中探測到它的存在。

                    “要想真正感知到‘看不見’的暗物質,必須發展新的探測原理和探測技術,還要在理論上有新的突破。”中科院高能物理研究所研究員、清華大學特聘客座教授李金告訴《中國科學報》。

                    但是,對于科學家來說這是十分困難的。正如李元景所說,現代物理學的重大突破往往需要極端的實驗條件。

                    中國錦屏地下實驗室正是建在垂直巖石覆蓋度達2400米的地下。2010年投入使用后,清華大學主導的CDEX實驗組和上海交通大學主導的PandaX實驗組相繼入駐,他們的主要研究對象就是暗物質。

                    當前暗物質探測方法大體分為直接探測實驗、間接探測實驗和加速器實驗。根據各自特點,可以將其形象地比喻成“入地”“上天”和“人造暗物質”。

                    間接探測實驗通常在太空中進行,目的是減少地球大氣層的干擾,如2015年底我國發射升空的“悟空”號暗物質粒子探測器。加速器實驗則希望通過普通粒子的對撞來產生暗物質粒子。

                    中國錦屏地下實驗室探測暗物質的方法屬于“入地”,即在地下放置暗物質探測器,等待暗物質撞上來。

                    李元景告訴《中國科學報》,探測器可以記錄下所有與它產生碰撞的信號,通過對信號的分析來尋找暗物質。

                    “并不是說幾種探測方法完全獨立,它們探測到的結果可以相互印證。”李元景說。

                    實際上,全世界無數個團隊在進行暗物質探測,他們都在等待一次載入史冊的碰撞。

                    由“跟跑”變為“并跑”

                    此前,中國錦屏地下實驗室已運行了9年,目前入駐的兩個實驗組都取得了一系列研究成果。

                    清華大學主導的CDEX實驗組利用一種具有特色的高純鍺探測系統,2013年發表了暗物質問題提出80多年來,我國首個自主暗物質直接探測的物理結果,并開始在暗物質直接探測的國際舞臺上嶄露頭角。

                    2014年,實驗組將自旋相關暗物質的靈敏度提高了一個量級,不僅得到了國際點電極高純鍺自旋相關暗物質探測實驗的最好結果,還完全排除了美國CoGeNT實驗組宣稱的發現暗物質的區域。這也是暗物質直接探測歷史上第一次對疑似暗物質事例的確定性排除。

                    2018年初,實驗組又在一定范圍內將暗物質直接探測靈敏度提高到當時國際最高水平,相關研究成果在線發表于《物理評論快報》。

                    上海交通大學PandaX實驗組則用氙原子作為探測靶子,也陸續取得了重要進展。2016年9月19日《物理評論快報》以封面論文的形式發表了該實驗組的探測結果。這是當時世界上靈敏度最高、曝光量最大的液氙暗物質探測結果,對暗物質粒子的性質作出了最強限制。其結果比美國LUX合作組2015年發表的原世界最高靈敏度提高近3倍。

                    在李元景看來,盡管沒有直接探測到暗物質,但上述工作在較短的時間內使我國暗物質直接探測實驗從無到有,由“跟跑”變為“并跑”。

                    從暗物質實驗研究開始,我國科學家尋找自己的地下實驗室的努力就一直沒有間斷。2008年北京奧運會期間,新華網發布了一條看似不起眼的消息,這引起了清華大學暗物質研究團隊的極大關注。

                    “記者從二灘水電開發有限責任公司獲悉,國家重點工程雅礱江錦屏水電站的控制性工程錦屏山隧道日前雙洞貫通。該隧道將長150公里的錦屏大河灣裁彎取直,使錦屏一、二級水電站實現最短距離連接……”

                    看到消息后,清華大學研究人員無比興奮。對錦屏山交通隧道的數據進行分析后,他們認為這極有可能是我國建設自己的極深地下實驗室的一個良好契機。利用錦屏山交通隧道建設地下實驗室的想法,得到了國內粒子物理、天體物理領域同行們的積極響應。

                    李金告訴記者,優良的地下實驗室,特別是極深地下實驗室,可以提供綜合性的重大基礎科學研究平臺,是一個國家必要的重大基礎研究設施。

                    隨后,清華大學多次實地考察,并與二灘水電開發有限責任公司(現為雅礱江流域水電開發有限公司)反復溝通研討,2009年5月雙方簽訂合作協議和備忘錄。僅用一年半的時間,中國首個、世界最深的地下實驗室就正式啟用。

                    這個“中國速度”令世界刮目相看,美國《科學》雜志也對此進行了詳細報道。

                    目標是“彎道超車”

                    宇宙線粒子能量及穿透力很強,且無處不在、無時不在,它會在探測器及其周圍產生次級粒子或輻射等。

                    李金解釋道,宇宙線將探測器介質及其周圍物質轉化為放射性物質,這些放射性物質不斷地輻射出伽馬射線或其他粒子,它們會不定時地進入探測器并嚴重干擾對暗物質的探測。

                    目前減少宇宙射線干擾最經濟、有效的方式是依靠深層巖石屏蔽。“實驗室越深,宇宙線通量越少。”李金告訴《中國科學報》,2000米巖石下宇宙線通量比地表減少近5個量級。

                    目前國際上研究暗物質的地下實驗室有十多個,空間大小差別大,巖石覆蓋度也大不相同。與其他國家的地下實驗室相比,中國錦屏地下實驗室巖石覆蓋度最深、宇宙線通量最小、可用空間最大,并且具備交通便捷、電力及水源充足、基礎設施完備等優勢。

                    中國錦屏地下實驗室二期工程規劃建設總容積約30萬立方米,由8個通用型實驗空間組成。清華大學實驗組目前放置的暗物質探測器為10公斤量級的高純鍺陣列,二期投入運行后,將采用1噸量級的高純鍺陣列,是目前的100倍。

                    “暗物質就像一條魚,以前用小網捕撈,未來可以用大網捕撈。”李元景向《中國科學報》作了一個形象的比喻。無疑,這將極大加快發現暗物質的進程。

                    實際上,二期工程不僅擴大了實驗室面積,也有助于研究范圍的擴大。

                    李元景等研究人員還有更大的目標。他們希望,在短時間內將中國錦屏地下實驗室建成性能指標未來30年內國際領先的重大科技基礎設施,實現“彎道超車”,讓錦屏成為世界粒子物理學家的樂園,推動我國粒子物理和核物理領域重大基礎前沿研究率先取得突破。

                    《中國科學報》 (2019-07-25 第1版 要聞)
                     
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