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在2400米岩层下等待暗物质“造访”

来源: 科技日报 时间: 2021-06-04 22:14:00阅读: 分类: 实时快讯

实验室一期就建在锦屏山隧道中部。空间并不大,只有4000立方米,但填补了我国没有深地实验室的空白。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,也是全球岩石覆盖厚度最深的地下实验室。

就是这里了。

中国四川,凉山彝族自治州,西昌市,锦屏水电厂,锦屏山交通隧道中部。

垂直岩石覆盖厚度达2400米的中国锦屏地下实验室内,科研人员在努力聆听暗物质粒子的絮语。

科研人员早已发现,如果仅存在人们已知的物质,宇宙根本不应该是现在这副模样,一定有别的东西在起作用。

从理论上来说,暗物质并不罕见。据估算,暗物质大约占据宇宙物质质量的85%。但是,它看不见、摸不着,几乎不和任何物体发生作用,是存在于模型中的理论推演。

“谁能率先找到暗物质,谁就能在科学上走在前头。”清华大学工程物理系教授、国家重大科技基础设施副总指挥兼总工程师李元景说。

是工程奇迹,也是暗物质探测的绝佳选址

中国锦屏地下实验室的源起,其实带点戏剧性。

电视上,这只是一条滚动而过的字幕新闻: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。

那时,清华大学工程物理系团队,正在全国寻找深地实验室的合适地址。

我们一直生活在宇宙射线的“背景音”中。不同粒子,发出不同声音,奏出宏大交响乐。但暗物质太特别。它高冷又娇羞,几乎不和任何物体发生作用,也几乎不发声。人们需要一个足够安静的环境,屏蔽掉一切我们已知的噪声,再造出足够敏锐的耳朵,才可能在暗物质粒子迎面而来时,听到它的低吟浅唱。

所以,必须将一切推到极限。

屏蔽宇宙射线的最佳方式,就是将实验室建在地下。

找到暗物质、研究暗物质,将是人类认识的一次重大飞跃,可能引发一场新的物理学革命。

寻找暗物质之旅从2003年开始。

一个巧合是,也是在2003年,来自全国各地的近18000名水电开发者,来到人迹罕至的雅砻江锦屏大河湾,凿开了他们的战场,为锦屏一、二级水电站修建做准备。

金沙江支流雅砻江奔流至木里、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,就分别选址在这一大河湾东西两端。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。

清华大学的老师从新闻上看到了这个奇迹。他们敏锐地意识到,暗物质实验室的地址,有了!

时任清华大学副校长的程建平教授领着团队,去往四川,找负责锦屏水电站工程的二滩公司(现雅砻江流域水电开发有限公司,以下简称雅砻江公司),反复谈了多次。高校和企业的这番跨界合作,还真成了。

实验室一期就建在锦屏山隧道中部。空间并不大,只有4000立方米,但填补了我国没有深地实验室的空白。

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,也是全球岩石覆盖厚度最深的地下实验室。

跟所有细节“较劲”,将一切推到极限

2010年,中国锦屏地下实验室正式运行。

率先入驻的,是清华大学牵头的盘古计划(CDEX)高纯锗暗物质实验和上海交通大学牵头的熊猫计划(PandaX)液氙暗物质实验项目。两大项目,都是对暗物质进行直接探测,即测量暗物质粒子直接弹性碰撞普通物质引起的反冲核的数量和能量等数值。

随着合作组对辐射本底的要求越发苛刻,高纯无氧铜也不能直接拿来就用。清华大学工程物理系副教授马豪说,材料只要在地面上,就会被宇宙射线撞击,产生新的“噪声”。于是,课题组要将高纯无氧铜送到地下实验室,将铜电解再重组,去掉那些宇生同位素。

探测暗物质最核心的装置,就是高纯锗探测器。

传统高纯锗探测器及其谱仪被广泛应用于基础研究、核监测、核应急、国土安全和放射性管理等领域。但要探测暗物质,对锗的纯度要求更高。

千足金叫“999”金,意思是含金量千分数不小于999。而课题组需要的锗,其纯度要达到12至13个9。

目前,国内还没有制备这种大质量高纯锗晶体的能力。

不过,在十余年寻找暗物质过程中,研究团队已经攻克了探测器制造技术。现在,团队已能做出商业级别的高纯锗探测器,实现了成果转化。

CDEX合作组的高纯锗探测器,就置身实验室白色聚乙烯伸缩门后。

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