作者:秦志伟 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/25 8:38:11
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在黑暗中探索科学之谜

中国锦屏地下实验室二期项目施工现场

 

本报记者 秦志伟

自80年前暗物质概念被提出以来,科学家对其进行的探测实验就从未停止。

位于四川省凉山彝族自治州的锦屏山交通隧道,是世界第二深埋隧道。这里也吸引着全世界探寻暗物质的科学家的目光。

2010年12月12日,由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司建设的我国首个、世界最深的极深地下实验室——中国锦屏地下实验室(CJPL)正式启用,标志着我国从事暗物质探测的科学家终于有了自己的地下实验室。

今年7月20日,中国锦屏地下实验室作为“十三五”期间优先布局的10个国家重大科技基础设施项目之一,正式启动二期建设。这意味着中国锦屏地下实验室将由校企合作平台升级为国家平台。

清华大学工程物理系研究员、中国锦屏地下实验室副主任李元景告诉《中国科学报》,二期项目建设完成后,中国锦屏地下实验室有望成为世界深地物理实验的中心,推动我国开展国际级大科学合作,吸引国内外顶尖学者前往开展前沿物理实验,为取得重大物理突破提供基础设施保障。

科学家期待,这个“黑暗”的地下实验室能在探测暗物质上取得重要进展,进而揭开21世纪现代物理学天空中的“两朵乌云”(暗物质和暗能量)之谜。

等待一次载入史册的碰撞

人类对宇宙真的了解吗?答案是否定的。

今天,我们可以观察到几乎所有波段的宇宙,但出乎很多人意料的是,我们所“看”到的浩瀚宇宙竟然只是它的一小部分,除此之外大部分是没有观察到的暗物质和暗能量。

天文学的众多观测数据和结果表明,暗物质广泛存在于宇宙的各个角落,约占整个宇宙物质质量的85%。 然而,截至目前,暗物质还是基于宇宙观测中引力效应的大胆猜想,尚无法直接在实验中探测到它的存在。

“要想真正感知到‘看不见’的暗物质,必须发展新的探测原理和探测技术,还要在理论上有新的突破。”中科院高能物理研究所研究员、清华大学特聘客座教授李金告诉《中国科学报》。

但是,对于科学家来说这是十分困难的。正如李元景所说,现代物理学的重大突破往往需要极端的实验条件。

中国锦屏地下实验室正是建在垂直岩石覆盖度达2400米的地下。2010年投入使用后,清华大学主导的CDEX实验组和上海交通大学主导的PandaX实验组相继入驻,他们的主要研究对象就是暗物质。

当前暗物质探测方法大体分为直接探测实验、间接探测实验和加速器实验。根据各自特点,可以将其形象地比喻成“入地”“上天”和“人造暗物质”。

间接探测实验通常在太空中进行,目的是减少地球大气层的干扰,如2015年底我国发射升空的“悟空”号暗物质粒子探测器。加速器实验则希望通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子。

中国锦屏地下实验室探测暗物质的方法属于“入地”,即在地下放置暗物质探测器,等待暗物质撞上来。

李元景告诉《中国科学报》,探测器可以记录下所有与它产生碰撞的信号,通过对信号的分析来寻找暗物质。

“并不是说几种探测方法完全独立,它们探测到的结果可以相互印证。”李元景说。

实际上,全世界无数个团队在进行暗物质探测,他们都在等待一次载入史册的碰撞。

由“跟跑”变为“并跑”

此前,中国锦屏地下实验室已运行了9年,目前入驻的两个实验组都取得了一系列研究成果。

清华大学主导的CDEX实验组利用一种具有特色的高纯锗探测系统,2013年发表了暗物质问题提出80多年来,我国首个自主暗物质直接探测的物理结果,并开始在暗物质直接探测的国际舞台上崭露头角。

2014年,实验组将自旋相关暗物质的灵敏度提高了一个量级,不仅得到了国际点电极高纯锗自旋相关暗物质探测实验的最好结果,还完全排除了美国CoGeNT实验组宣称的发现暗物质的区域。这也是暗物质直接探测历史上第一次对疑似暗物质事例的确定性排除。

2018年初,实验组又在一定范围内将暗物质直接探测灵敏度提高到当时国际最高水平,相关研究成果在线发表于《物理评论快报》。

上海交通大学PandaX实验组则用氙原子作为探测靶子,也陆续取得了重要进展。2016年9月19日《物理评论快报》以封面论文的形式发表了该实验组的探测结果。这是当时世界上灵敏度最高、曝光量最大的液氙暗物质探测结果,对暗物质粒子的性质作出了最强限制。其结果比美国LUX合作组2015年发表的原世界最高灵敏度提高近3倍。

在李元景看来,尽管没有直接探测到暗物质,但上述工作在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有,由“跟跑”变为“并跑”。

从暗物质实验研究开始,我国科学家寻找自己的地下实验室的努力就一直没有间断。2008年北京奥运会期间,新华网发布了一条看似不起眼的消息,这引起了清华大学暗物质研究团队的极大关注。

“记者从二滩水电开发有限责任公司获悉,国家重点工程雅砻江锦屏水电站的控制性工程锦屏山隧道日前双洞贯通。该隧道将长150公里的锦屏大河湾裁弯取直,使锦屏一、二级水电站实现最短距离连接……”

看到消息后,清华大学研究人员无比兴奋。对锦屏山交通隧道的数据进行分析后,他们认为这极有可能是我国建设自己的极深地下实验室的一个良好契机。利用锦屏山交通隧道建设地下实验室的想法,得到了国内粒子物理、天体物理领域同行们的积极响应。

李金告诉记者,优良的地下实验室,特别是极深地下实验室,可以提供综合性的重大基础科学研究平台,是一个国家必要的重大基础研究设施。

随后,清华大学多次实地考察,并与二滩水电开发有限责任公司(现为雅砻江流域水电开发有限公司)反复沟通研讨,2009年5月双方签订合作协议和备忘录。仅用一年半的时间,中国首个、世界最深的地下实验室就正式启用。

这个“中国速度”令世界刮目相看,美国《科学》杂志也对此进行了详细报道。

目标是“弯道超车”

宇宙线粒子能量及穿透力很强,且无处不在、无时不在,它会在探测器及其周围产生次级粒子或辐射等。

李金解释道,宇宙线将探测器介质及其周围物质转化为放射性物质,这些放射性物质不断地辐射出伽马射线或其他粒子,它们会不定时地进入探测器并严重干扰对暗物质的探测。

目前减少宇宙射线干扰最经济、有效的方式是依靠深层岩石屏蔽。“实验室越深,宇宙线通量越少。”李金告诉《中国科学报》,2000米岩石下宇宙线通量比地表减少近5个量级。

目前国际上研究暗物质的地下实验室有十多个,空间大小差别大,岩石覆盖度也大不相同。与其他国家的地下实验室相比,中国锦屏地下实验室岩石覆盖度最深、宇宙线通量最小、可用空间最大,并且具备交通便捷、电力及水源充足、基础设施完备等优势。

中国锦屏地下实验室二期工程规划建设总容积约30万立方米,由8个通用型实验空间组成。清华大学实验组目前放置的暗物质探测器为10公斤量级的高纯锗阵列,二期投入运行后,将采用1吨量级的高纯锗阵列,是目前的100倍。

“暗物质就像一条鱼,以前用小网捕捞,未来可以用大网捕捞。”李元景向《中国科学报》作了一个形象的比喻。无疑,这将极大加快发现暗物质的进程。

实际上,二期工程不仅扩大了实验室面积,也有助于研究范围的扩大。

李元景等研究人员还有更大的目标。他们希望,在短时间内将中国锦屏地下实验室建成性能指标未来30年内国际领先的重大科技基础设施,实现“弯道超车”,让锦屏成为世界粒子物理学家的乐园,推动我国粒子物理和核物理领域重大基础前沿研究率先取得突破。

《中国科学报》 (2019-07-25 第1版 要闻)
 
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