来源:数字北京科学中心微信公众号 发布时间:2023/10/6 18:30:22
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什么实验,要到地下2400米来做?

 

想象一下,在地下2400米,我们能看到什么?

就在这样的“深渊”中,深藏于四川凉山彝族自治州,一群科研人员伴随着原子核信号放大后的微微闪光,在不间断运行的仪器旁凝神寻找、捕捉。

这里,就是中国锦屏地下实验室(CJPL)。
锦屏地下实验室是我国首个暗物质实验室,也是世界上最深、最大、综合配套设施最好的地下实验室。它位于四川凉山州地下2400米的锦屏山隧道内,能利用山体的厚岩层阻挡宇宙射线的干扰,为实验室建设创造得天独厚的环境。
为了保证实验室建设精度,项目建设施工方通过“防水抑氡”等措施,力争减小对洞室原极低辐射环境的影响。同时,还建设了大型组合式固体屏蔽装置——聚乙烯屏蔽舱,来实现更低的辐射本底要求。
前段时间,这个实验室的二期工程搭建完成,实验室舱体正式进入洁净施工阶段,未来,它也将为我国的基础科学实验提供十分重要的研究平台。
看到这里,也许大家还有点疑惑,这个实验室有什么厉害的高科技吗?它研究的暗物质是什么?有什么意义呢?话不多说,赶紧随小编来了解一番吧。

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为什么建设的这么深?
锦屏地下实验室可以说是“站在深渊,仰望星空”。仰望的是什么?暗物质。爱好天文的小伙伴或多或少都听说过它。暗物质其实是一种不会反射、吸收光线的存在,它区别于常见的物质形态,看不见也摸不着,不参与任何的电磁相互作用和强相互作用。它可以说是宇宙中质量占比最多,但却是最弱的“光”。
如果把宇宙全貌比作一片海洋,到目前为止,人类碍于有限的理解和观察手段,还只是在探索这片“海洋”的一小部分。
为了捕捉到这神秘又“腼腆”的暗物质,21世纪以来,国际上相继开展了20多个探测实验。人们相信:谁先揭开它的面纱,谁就将促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。
当前,暗物质探测方法大体分为“上天”“入地”和“人造暗物质”三类:“上天”指间接探测实验,为减少地球大气层的干扰,通常在太空进行;“入地”指直接探测实验,为减少宇宙线的干扰,通常在地下实验室进行;“人造暗物质”指加速器实验,即通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子,主要在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行。
在中国的锦屏地下实验室就属于“入地”的研究方式,为了最大程度的去掉宇宙中的无关干扰粒子,凉山的这个神秘空间也设置了重重防护“盔甲”。
第一层为天然岩石屏障;第二层浇筑了50厘米厚的混凝土作为洞室安全支护结构;第三层放置了1米厚的聚乙烯,用于屏蔽中子;第四层为20厘米厚的铅房子,用于屏蔽伽马射线;第五层为20厘米厚的含硼聚乙烯,用于吸收热中子;第六层为10厘米厚的铜房子,用于屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线。这些设备几乎屏蔽掉了能够想到的一切辐射源。
那么,作为世界上最深的地下实验室,为什么锦屏地下实验室会建在凉山州呢?其他地方不能建造吗?

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为什么要建在四川省凉山州?
国内的大山很多,之所以选择四川省凉山州作为实验室的驻地,原因就在于“天时地利人和”。
2003年,暗物质实验室的策划团队——来自清华大学的工程物理系一行人在全国范围内搜寻适合建造实验室的地方。团队成员在看新闻时突然发现,四川凉山的雅砻江锦屏大河湾正在修建一个大型的锦屏水电站工程,这里的岩层厚度足够,有着天然的地理优势,此外,这里有一条锦屏山交通隧道连接了两座电站,如果在这里建造实验室,也方便了研究团队进出的需要。
因此,清华大学团队就前往四川与水电站建造单位——雅砻江流域水电开发有限公司沟通合作,经过多次的洽谈最终顺利定下。
于是,到2009年,暗物质实验室一期在锦屏山交通隧道中部启动建设,至2010年正式投入使用,填补了国内没有深地实验室的空白。
2014年,由于有了一期工程的优质合作,清华大学团队与雅砻江水电工程建设团队继续合作,开始建造锦屏地下实验室二期工程;2015年,实验室二期工程土建完成;2020年,基于实验室二期建设的、被列入入“十三五”国家重大科技基础设施规划的“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”正式开工建设,预计2024年将投入使用。

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实验室背后的高科技
锦屏地下实验室是世界上岩石覆盖层厚度最大的地下实验室,实验室内部的宇宙射线通量约为地面的亿分之一,为暗物质实验提供了十分“干净”的测试环境。
除此之外,锦屏地下实验室还有不少的硬核高科技,包括防水抑氡工程、极端洁净设计、超低本底测量、高纯锗探测等。
锦屏山地处雅砻江干流之上,此地属富水地质,加上气候多雨,岩体中水分含量很大。此外,山体岩层内部析出的氮对于暗物质的探测也会造成很大影响,因此,为了给暗物质研究提供良好的实验环境,减少不必要因素的干扰,就需要进行防水抑氮工程。
深地环境中水分和氮气无处不在,想要完全隔绝也花费了建造单位不少的时间。施工方设计了多达10层的复杂结构,采用了防排一体化的建造工艺,在岩壁外层打入锚杆,铺上排水板,并喷涂上橡胶防水涂料、喷射水泥砂浆、聚氨酯胶泥等,历经6个多月的试验和修正,最终成功将水和氮气阻隔在实验室之外。
在实验室的建造上,各连接处均安装了气密门,充分考虑设计了人流和物流的净化通道,采用高效的过滤封口,并借助地下水来进行温度控制,确保实验室内部的气温保持在舒适的25℃左右,同时环境湿度在65%以下,为实验人员和设备提供一个干净整洁的研究环境。
此外,为了保证实验结果的准确性,实验室使用了GeTHU来进行超低本底测量。一切物质都存在着本底辐射,通过筛选优质的低本底材料,精准地控制实验材料用量,科研人员得以确保实验环境不会受到其他物质的辐射影响。
在锦屏地下实验室重重“盔甲”保护之下,低温液氮环境中,躺着的则是直接探测暗物质的1公斤高纯锗实验探测器,采用世界上纯度最高的晶体材料“锗”制作而成。
高纯锗探测器的制作工艺十分复杂,技术门槛很高,国际上仅有三家欧美公司掌握了这个技术。因此,中国科学家们从零开始探索,成功研发出了制造技术,极大地推动了国内的暗物质研究水平。
锦屏地下实验室从立项到搭建再到完工,经历了数十年的时间。虽然到目前为止,我们还未能弄清暗物质的本质,但中国科学家们一直在默默行动着。

要给黑暗以光明,扎根地心建设大国重器。虽然我们还在等待着暗物质撞击的“微光”,但是科技建设本就非一朝一夕就能实现,探索未知,在不确定中寻找确定,也许这就是科学的魅力吧。

审核专家:晁伟 北京师范大学副教授,理论物理博士



 
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