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造一座最黑的房子,等待那束最弱的光

2016-09-18 13:36 作者:张盖伦 来源:科技日报 编辑:郑雪婧
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造一座最黑的房子,等待那束最弱的光

——走进中国锦屏地下实验室

走近中国大科学工程

寻找暗物质的中国锦屏地下实验室,在等待一次足以载入史册的碰撞。

能不能找到暗物质?谁也无法打包票。谁也无法给出一个确切的时间表。唯一肯定的是,这件事情一定要做。

科研人员早已发现,如果仅存在人们已经探测到的物质,宇宙根本不应该是现在这副模样,一定有什么别的东西在起作用。暗物质,得名于其不发射任何波段的电磁波,也不与任何电磁波发生相互作用。它如此没有“存在感”,但又如此鲜明地影响着人类对宇宙的认知——迄今的研究和分析表明,暗物质占据宇宙物质总质量的80%以上。

发现并研究暗物质,可能引发物理学的革命。

工程奇迹,成为天赐良机

暗物质粒子每时每刻都在穿透我们的身体,但人体无知无觉。甚至只有最精密的仪器,才可能捕捉到它与原子核碰撞产生的微弱信号。

而这些信号,又散布于宇宙射线与探测器碰撞产生的大量背景信号中。它如同一束微光,只有在足够黑的房子,用上足够精巧的仪器,将一切推到极限,才可能“看到”。

科研人员为这间足够黑的房子,找到了一个绝佳地址。

从凉山西昌乘车一路向北,经过漫水湾,再驶入锦屏水电站专用公路。一路上,隧道连着隧道,高山夹着高山。约两个小时后,锦屏山隧道的入口展现眼前。“中国锦屏地下实验室”的标志,便挂在此处。

中国水电泰斗、两院院士潘家铮曾经这样形容锦屏的环境:“峰如斧劈江边立,路似绳盘洞里行。”

雅砻江奔流至木里、盐源、冕宁三县交界处,因被锦屏山阻隔,骤然掉头,拐向东北方,形成长达150公里的锦屏大河湾。锦屏一、二级电站,就选址在大河湾东西两端。连接两座电站的锦屏山交通隧道,成为这浩大水利工程的两条主动脉。

它们从锦屏山底部穿过,最大埋深将近2400米,埋深大于1500米洞段占隧道总长的73.1%。2008年8月8日,两条各17.5公里的锦屏山交通隧道实现双洞贯通。当时的报道称,这是在汹涌的雅砻江上创造了奇迹。

工程奇迹,在科研人员眼中,成为“天赐良机”。岩层,是宇宙射线的天然屏蔽层。

此前的中国,并没有自己的地下实验室。“许多相关研究无法进行,或者只能与国外有条件的实验室联合开展工作。”清华大学常务副校长、中国锦屏地下实验室主任程建平教授告诉科技日报记者。

2009年,清华大学与二滩公司(现雅砻江流域水电开发有限公司)签订合作协议,在锦屏山隧道中间位置修建实验室。2010年12月,锦屏地下实验室投入使用,成为我国首个极深地下实验室,也是全球最深的地下实验室。

经测定,锦屏地下实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一,是目前国际上宇宙射线通量最低的地下实验室。而且,实验室周围岩石的放射性水平也很低。“可以说,中国锦屏地下实验室拥有国际一流的实验环境。”程建平说。

目前,国际上正在运行和建设的地下实验室有数十个,主要分布在发达国家。地下实验室是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域一些重大基础前沿课题的重要研究场所和良好的低本底环境。

更净,更精

车辆扎入隧道,前行大概20分钟,就到了锦屏地下实验室一期门口。其实,如果不是老司机领路,你很难在昏暗的隧道中,发现这处低调的存在。

实验室一期的容积为4000立方米。目前中国锦屏地下实验室已经批准两个暗物质实验项目在其中运行,一个是清华大学领导的CDEX(中国暗物质实验)高纯锗暗物质实验,一个是上海交通大学领导的PandaX(熊猫计划)液氙暗物质实验项目。进入实验室,穿过一条狭长走廊,最先看到的是上海交通大学主导的“PandaX项目”暗物质探测装置。他们采用液氙技术,当暗物质和氙原子发生碰撞,氙原子会发光,同时也会产生自由电子。

再往里走,就进入了清华大学主导的CDEX合作组实验室。他们用的是高纯锗阵列探测器,要捕捉的是暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的信号。

两个项目组使用的方法,都是直接探测,即测量暗物质粒子直接碰撞普通物质引起的反冲核的数量和能量。

其实,暗物质探测主要有3种方法,除了直接探测,还有间接探测和加速器实验。前者是探测暗物质对互相碰撞、湮灭时产生的标准模型粒子。我国2015年年底发射的暗物质探测卫星就正在太空中寻找暗物质碰撞留下的痕迹。后者是利用加速器将标准模型粒子加速到高能量后对撞,通过测量对撞丢失的能量来反推暗物质的各种性质。

CDEX合作组的核心装置高纯锗探测器,藏在白色聚乙烯伸缩门后。它是世界上首个公斤量级点电极高纯锗探测器,可在质量小于10GeV的暗物质研究热点能区开展轻质量区暗物质探测研究。

探测器身处重重保护之下:1米厚的聚乙烯材料,用来慢化和吸收中子;20厘米厚的铅层,用来屏蔽外部伽马射线;20厘米厚的含硼聚乙烯,目的是吸收热中子;20厘米的高纯无氧铜,则要屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线……

屏蔽,是要给它一个极黑的世界,最好不要漏入一丝外来的光。

运行6年,锦屏地下实验室取得的成果,已经将中国的研究团队推向了寻找暗物质的前沿:2013年CDEX实验组在国际上发表了中国第一个自主暗物质研究成果,研究水平达到国际第一阵营。2014年,CDEX实验组获得了在10GeV以下能区里同类探测器最灵敏的实验结果,确定性地排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的暗物质存在区域。2016年,PandaX二期500公斤液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果公布,在3.3万公斤/天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象给出了最新的限制。

虽然暗物质还没有被找到,但它的藏身范围,已经缩小。

别墅将变小区,实验室变身大平台

CDEX合作组的下一步计划,是利用自主研制的高纯锗探测器,建设10—100公斤量级的高纯锗阵列探测器系统,并最终开展吨量级高纯锗阵列探测器暗物质实验,将探测灵敏度再提升两个量级。

新的探测器阵列,将置身液氮罐中;而液氮罐,要被放入一个6层楼深的“基坑”。大坑已经挖好,它所处的位置,在锦屏地下实验室二期。

从实验室一期出来,再往里走上500米,就到了实验室二期。它由4条子隧道构成,总容积达30万立方米,被分成8个不同的主实验室和其他公共区域。

实验室二期奔着“更黑”而去,连施工所用水泥的辐射量,都必须限定在一定范围内。清华大学工程物理系副研究员曾志特别为此选定了一种中热水泥。每批水泥运来,团队都要先用伽马谱仪对其辐射量进行严格测定。“低本底环境的营造是一项综合工程,细节全部都要考虑到。”曾志说。

“以前这里只有套别墅,清华大学和上海交大住在这儿。现在,国内外其他科研机构也需要这样的条件。所以,我们得扩建出一个小区。”程建平打了个比方。

“小区”的土建工作已经完成。建“小区”,同样困难重重。就连通风这样的问题,放到地下,也变得棘手。

实验室一期的通风管贴着隧道上方洞壁,一直延伸至洞外。但二期实验室所需通风管直径更大,原有方法无法照搬。

通风系统是二期实验室建设的关键工程之一。清华大学和雅砻江公司研讨后提出方案:通风管可以从隧道下方的排水洞走。

为摸清排水洞内情况,2016年1月下旬,一个勘察小组成立了。成员们穿着防水服、救生衣,戴上头盔,拿上探照灯、对讲机还有铁锹,进了洞。

4个小时,勘察小组走了2.6公里。他们最终确认,风管安装施工可以在排水洞进行。

如今,“小区”的建设正在顺利推进。程建平表示,“小区”建成后,锦屏地下实验室将有望逐步发展成为国家级的面向世界开放的基础研究平台。越来越多的国内外科研团队将来到这个科研殿堂,在暗物质、中微子、核天体物理和深地岩石力学等领域开展研究,破译前沿基础科学问题的密码。



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