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這裏,將成為世界深地物理實驗中心
2019-07-21 09:33:59 來源: 光明日報
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  這裏,將成為世界深地物理實驗中心

  ——對話清華大學雙聘教授、“極深地下極低輻射 本底前沿物理實驗設施”項目負責人程建平

  10年,一群執著而堅韌的科學家,在距地面2400米的極深實驗室裏奮力找尋。他們相信,在茫茫宇宙之中,有很多不可思議的物質存在著,它們無法被人類看見,但卻真實存在著。

  他們尋找的,是被譽為“現代物理學天空中的一朵烏雲”的暗物質,也是近年來世界頂尖科學家共同錨定的焦點與難點。

  7月20日清晨,記者從北京出發,抵達四川西昌。走土路、穿隧道、翻高山,一路向北,溯流而上,兩個小時車程後,終于開進全長17.5公裏、通行需要半個小時的錦屏山隧道。隧道中間,是中國首個、世界最深的極深地下實驗室——錦屏地下實驗室。

  暗物質究竟是什麼?過去10年,中國科學家發現了什麼?此次重大科技基礎設施的建設啟動將為新一輪暗物質找尋帶來什麼?本報記者獨家對話清華大學雙聘教授、“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”項目負責人程建平,揭秘為何這裏將成為世界深地物理實驗中心。

  10年,中國暗物質直接探測衝在世界最前列

  記者:什麼是暗物質?找到它,對人類來説,意味著什麼?

  程建平:暗物質,通俗地講就是那些既不發射光,也不吸收和反射光的物質。由于暗物質還是屬于物質范疇,因此和普通物質一樣,具有引力效應。暗物質問題是由瑞士科學家茲維基在1933年解釋天文觀測的一些新現象時提出的。到目前為止,暗物質存在的多個科學證據都是由天文觀測給出的。科學家根據天文觀測數據和研究結果得出暗物質質量約佔宇宙物質總質量的80%~90%,而且分布在宇宙的各個角落。那麼,如此巨大的宇宙物質質量,必定在物質起源和宇宙演化過程中具有重要的地位。研究和理解暗物質的本質將會影響和改變人類對于宇宙的認識。

  記者:過去10年,中國科學家發現了什麼?

  程建平:暗物質理論的正確性需要實驗檢驗。根據當前主要的暗物質理論模型和候選粒子,暗物質實驗探測方法主要分成直接探測、間接探測和加速器實驗三大類。

  但無論哪一種探測方式,現代物理學的重大突破常常需要極端實驗條件,極深地下實驗室就是開展粒子物理與核物理、天體物理學及宇宙學等領域重大基礎前沿物理實驗研究的重要設施。但在2009年之前,中國並沒有自己的地下實驗室,許多相關研究無法進行,或者只能跟國外開展合作。

  2009年,清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司(原二灘水電開發有限責任公司)合作,在錦屏山隧道中間位置的地下2400米處修建極深地下實驗室。2010年年底,“中國錦屏地下實驗室”建成投入使用,成為我國首個、也是全球最深的地下實驗室。2014年,清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署協議,共同建設“中國錦屏地下實驗室”二期工程,將地下可用實驗空間由原來的4000立方米增加到30萬立方米。

  與國際上其他的地下實驗室相比,中國錦屏地下實驗室岩石覆蓋最深、宇宙線通量最小、可用空間最大,並且具備交通便捷、電力及水源充足、基礎設施完備等優勢。自中國錦屏地下實驗室一期建成投入使用以來,已經開展了清華大學主導的高純鍺直接探測合作組(CDEX)、上海交通大學主導的液氙直接探測合作組(PandaX)等暗物質直接探測實驗,以及清華大學主導的錦屏中微子實驗等,取得了一係列研究成果,在較短的時間內使我國暗物質直接探測實驗從無到有,研究水平達到國際先進,由“跟跑”變成“並跑”。如今,清華大學領導的CDEX合作組的有效實驗數據積累已超過4年,開展了年度調制、暗物質軸子、暗光子等多個通道物理分析,不僅在暗物質研究方面取得了國際先進水平的成果,還在高純鍺探測器自主研制、自主低溫低本底前端電子學研制等核心技術方面取得重要突破。2018年,CDEX合作組自主研制的世界第一個低閾值低本底的配置金屬氧化物集成電路前放的點電極高純鍺探測器(ASIC-PPCGe),能量分辨率達到商業探測器水平,而且測量到了低能區Ge-68宇生X射線,展現了低本底測量能力。

  從一間“黑屋子”走進“更純凈”的空間

  記者:此次重大科技基礎設施的建設啟動將為新一輪暗物質找尋帶來什麼?

  程建平:通俗地説,探測暗物質,需要建造一個極黑的世界,盡可能地排除掉宇宙射線的幹擾,也就是要實現極低輻射本底。這必須根據不同的輻射本底來源、利用不同的手段去減少。目前減少宇宙射線本底最經濟有效的方式是依靠深層岩石屏蔽來實現,所以必須到極深地下;減少環境輻射本底則可以通過建設大型的多重復合的屏蔽裝置來實現;探測器自身本底一般無法通過外部建設的屏蔽裝置來減少,必須通過篩選極低放射性的材料來制備探測器才能實現降低,也可以通過加裝主動反符合係統來符合降低中心靶探測器本底。因此,通過建設極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施,減少前沿物理實驗輻射本底水平,是開展暗物質直接探測、無中微子雙貝塔衰變實驗和核天體物理等前沿實驗的必要舉措,可以提高我國科學家微觀世界探索能力和自然界基本規律認知水平,對我國科學家率先取得原創性的重大突破、形成重要的國家科技創新平臺具有極大意義。

  記者:也就是説,錦屏地下實驗室二期將提供比一期更為純凈的實驗環境?

  程建平:是的,以暗物質探測為例,未來我們將把高純鍺探測器放置在二期直徑16m、高度20m的液氮恒溫器中,並最終開展噸量級高純鍺陣列探測器暗物質實驗,這將大大提升實驗環境的純凈度,將探測靈敏度再提升兩個量級。打個比方,以前一期只有間“黑屋子”,清華和上海交大住在那裏,未來二期將擴建成一個更純凈的空間,在提升探測靈敏度的同時容納更多科研實驗。

  “讓錦屏成為世界粒子物理學家探索未知的樂園”

  記者:未來,在中國錦屏地下實驗室,中國科學家有哪些研究計劃將要展開?

  程建平:利用中國錦屏地下實驗室現有的約2400米極深岩石覆蓋的有利條件,我們將在實驗室二期建成4個14米×14米×130米主實驗洞室、可利用空間超過30萬立方米的極深地下實驗空間建設極深地下實驗綜合運行維護支持平臺,為前沿物理實驗提供宇宙線通量小于每年每平方米100個、全世界目前正在運行的地下實驗室中最低的宇宙射線輻射本底環境,以及極低的氡含量輻射本底環境。依靠這一環境,我們將發展極低輻射本底屏蔽新方法與新技術,建設極深地下極低輻射本底屏蔽平臺,為我國粒子物理和核物理領域的重大前沿稀有事例物理問題研究提供開放共享的實驗裝置,在短時間內建成性能指標未來30年內國際領先的重大科技基礎設施,實現“彎道超車”,為國內外前沿物理實驗提供“開放共享”平臺,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的重大基礎前沿研究率先取得重大突破。(記者 豐捷 鄧暉)

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【糾錯】 責任編輯: 廖國紅
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