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这里,将成为世界深地物理实验中心 对话清华大学双聘教授、“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目负责人程建平
来源: | 作者:中国科技产业协会 | 发布时间: 2019-07-22 | 102 次浏览 | 分享到:

10年,一群执着而坚韧的科学家,在距地面2400米的极深实验室里奋力找寻。他们相信,在茫茫宇宙之中,有很多不可思议的物质存在着,它们无法被人类看见,但却真实存在着。
 
他们寻找的,是被誉为“现代物理学天空中的一朵乌云”的暗物质,也是近年来世界顶尖科学家共同锚定的焦点与难点。
 
7月20日清晨,记者从北京出发,抵达四川西昌。走土路、穿隧道、翻高山,一路向北,溯流而上,两个小时车程后,终于开进全长17.5公里、通行需要半个小时的锦屏山隧道。隧道中间,是中国首个、世界最深的极深地下实验室——锦屏地下实验室。
 
暗物质究竟是什么?过去10年,中国科学家发现了什么?此次重大科技基础设施的建设启动将为新一轮暗物质找寻带来什么?本报记者独家对话清华大学双聘教授、“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目负责人程建平,揭秘为何这里将成为世界深地物理实验中心。
 
10年,中国暗物质直接探测冲在世界最前列
 
记者:什么是暗物质?找到它,对人类来说,意味着什么?
 
程建平:暗物质,通俗地讲就是那些既不发射光,也不吸收和反射光的物质。由于暗物质还是属于物质范畴,因此和普通物质一样,具有引力效应。暗物质问题是由瑞士科学家兹维基在1933年解释天文观测的一些新现象时提出的。到目前为止,暗物质存在的多个科学证据都是由天文观测给出的。科学家根据天文观测数据和研究结果得出暗物质质量约占宇宙物质总质量的80%~90%,而且分布在宇宙的各个角落。那么,如此巨大的宇宙物质质量,必定在物质起源和宇宙演化过程中具有重要的地位。研究和理解暗物质的本质将会影响和改变人类对于宇宙的认识。
 
记者:过去10年,中国科学家发现了什么?
 
程建平:暗物质理论的正确性需要实验检验。根据当前主要的暗物质理论模型和候选粒子,暗物质实验探测方法主要分成直接探测、间接探测和加速器实验三大类。
 
但无论哪一种探测方式,现代物理学的重大突破常常需要极端实验条件,极深地下实验室就是开展粒子物理与核物理、天体物理学及宇宙学等领域重大基础前沿物理实验研究的重要设施。但在2009年之前,中国并没有自己的地下实验室,许多相关研究无法进行,或者只能跟国外开展合作。
 
2009年,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司(原二滩水电开发有限责任公司)合作,在锦屏山隧道中间位置的地下2400米处修建极深地下实验室。2010年年底,“中国锦屏地下实验室”建成投入使用,成为我国首个、也是全球最深的地下实验室。2014年,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署协议,共同建设“中国锦屏地下实验室”二期工程,将地下可用实验空间由原来的4000立方米增加到30万立方米。
 
与国际上其他的地下实验室相比,中国锦屏地下实验室岩石覆盖最深、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。自中国锦屏地下实验室一期建成投入使用以来,已经开展了清华大学主导的高纯锗直接探测合作组(CDEX)、上海交通大学主导的液氙直接探测合作组(PandaX)等暗物质直接探测实验,以及清华大学主导的锦屏中微子实验等,取得了一系列研究成果,在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有,研究水平达到国际先进,由“跟跑”变成“并跑”。如今,清华大学领导的CDEX合作组的有效实验数据积累已超过4年,开展了年度调制、暗物质轴子、暗光子等多个通道物理分析,不仅在暗物质研究方面取得了国际先进水平的成果,还在高纯锗探测器自主研制、自主低温低本底前端电子学研制等核心技术方面取得重要突破。2018年,CDEX合作组自主研制的世界第一个低阈值低本底的配置金属氧化物集成电路前放的点电极高纯锗探测器(ASIC-PPCGe),能量分辨率达到商业探测器水平,而且测量到了低能区Ge-68宇生X射线,展现了低本底测量能力。
 
从一间“黑屋子”走进“更纯净”的空间
 
记者:此次重大科技基础设施的建设启动将为新一轮暗物质找寻带来什么?
 
程建平:通俗地说,探测暗物质,需要建造一个极黑的世界,尽可能地排除掉宇宙射线的干扰,也就是要实现极低辐射本底。这必须根据不同的辐射本底来源、利用不同的手段去减少。目前减少宇宙射线本底最经济有效的方式是依靠深层岩石屏蔽来实现,所以必须到极深地下;减少环境辐射本底则可以通过建设大型的多重复合的屏蔽装置来实现;探测器自身本底一般无法通过外部建设的屏蔽装置来减少,必须通过筛选极低放射性的材料来制备探测器才能实现降低,也可以通过加装主动反符合系统来符合降低中心靶探测器本底。因此,通过建设极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施,减少前沿物理实验辐射本底水平,是开展暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变实验和核天体物理等前沿实验的必要举措,可以提高我国科学家微观世界探索能力和自然界基本规律认知水平,对我国科学家率先取得原创性的重大突破、形成重要的国家科技创新平台具有极大意义。
 
记者:也就是说,锦屏地下实验室二期将提供比一期更为纯净的实验环境?
 
程建平:是的,以暗物质探测为例,未来我们将把高纯锗探测器放置在二期直径16m、高度20m的液氮恒温器中,并最终开展吨量级高纯锗阵列探测器暗物质实验,这将大大提升实验环境的纯净度,将探测灵敏度再提升两个量级。打个比方,以前一期只有间“黑屋子”,清华和上海交大住在那里,未来二期将扩建成一个更纯净的空间,在提升探测灵敏度的同时容纳更多科研实验。
 
“让锦屏成为世界粒子物理学家探索未知的乐园”
 
记者:未来,在中国锦屏地下实验室,中国科学家有哪些研究计划将要展开?
 
程建平:利用中国锦屏地下实验室现有的约2400米极深岩石覆盖的有利条件,我们将在实验室二期建成4个14米×14米×130米主实验洞室、可利用空间超过30万立方米的极深地下实验空间建设极深地下实验综合运行维护支持平台,为前沿物理实验提供宇宙线通量小于每年每平方米100个、全世界目前正在运行的地下实验室中最低的宇宙射线辐射本底环境,以及极低的氡含量辐射本底环境。依靠这一环境,我们将发展极低辐射本底屏蔽新方法与新技术,建设极深地下极低辐射本底屏蔽平台,为我国粒子物理和核物理领域的重大前沿稀有事例物理问题研究提供开放共享的实验装置,在短时间内建成性能指标未来30年内国际领先的重大科技基础设施,实现“弯道超车”,为国内外前沿物理实验提供“开放共享”平台,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的重大基础前沿研究率先取得重大突破。

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