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12月12日,世界最深的地下实验室在我国投入使用

地下2400米 启程探寻暗物质

来源:人民日报 2010-12-13 赵婀娜 张彦春

  【核心提示】12月12日,清华大学与二滩公司联合建立的中国首个极深地下实验室,也是世界最深的地下实验室——“中国锦屏极深地下暗物质实验室”投入使用,这标志着全世界岩石覆盖最深的暗物质实验室正式建成启用。也标志着我国正式加入暗物质研究这个自然奥秘探索的最前沿领域。
暗物质是什么,国际上对暗物质的研究情况如何,我国开展暗物质探测有什么意义?记者走进世界最深地下实验室,走近暗物质。

地下2400米
宇宙射线量为地面亿分之一,世界上最“干净”的实验室

  巍巍锦屏山,山体宏厚,美丽的雅砻江沿锦屏山势顺流而下。在二滩水电站17公里长的锦屏隧洞内,中国首个极深地下实验室就建在这里。这是世界最深的地下实验室,也是世界上最“干净”的地下实验室。

  所谓最“干净”,是指辐射最少、杂质最少。清华大学工程物理系教授李元景告诉记者,世界上最难挡住的就是宇宙射线,要打造一个最理想的实验环境,就要尽量遮蔽住宇宙射线,而用岩石阻挡是好办法。锦屏隧洞最大埋深达2400米左右,实验室设立其中,就相当于将实验室设在地下2400多米深的地方,超过了加拿大的岩石覆盖厚度2000米的斯诺实验室,能将宇宙射线通量降到地面水平的约亿分之一。

  而为了让实验室变得更“干净”,工作人员还对环境进行了特殊的包装。清华大学暗物质项目组的岳骞副教授告诉记者,实验室外层是1米厚的聚乙烯材料,用于阻拦和吸引中子;然后是20厘米厚的铅层,用于屏蔽外部的伽马射线;20厘米厚的含硼聚乙烯,用于吸收剩余的中子;10厘米厚的高纯无氧铜,用于阻挡铅材料及外部其他材料中伽马射线。这些屏蔽设备几乎屏蔽掉了能够想到的一切辐射源,最里面才为“捕捉”暗物质的精密仪器——高纯锗探测器的工作空间。

  高纯锗探测器,捕捉暗物质的“网”,是深藏在多层屏蔽体内的黄色金属立方体,由纯度高达99.9999999999%(简称12个9)的高纯锗晶体制成,是目前人类可以得到的纯度最高的晶体材料。据介绍,经过层层屏蔽后,如果通过高纯锗探测器能够探测到未知的粒子,可以通过实验装置反映在相连的测量装置上,通过对不同的波形反馈的分析,以获取未知粒子的各种测量参数,从而可能发现暗物质中的一种。

神秘暗物质
暗物质占宇宙的20%以上,理论已经证明,只待捕捉

  暗物质到底是什么?为什么暗物质的探寻被称为世界自然科学领域的制高点?

  受聘于清华大学工程物理系从事暗物质研究和学科建设的中科院高能物理研究所研究员李金告诉记者,我们观察宇宙,总是通过各种各样的电磁波,从低能的无线电波到高能的γ射线。但这些手段都看不到一种物质,这种物质有质量却不可见,被称为暗物质。

  为什么要研究和探测暗物质?“暗物质占据整个宇宙比重相当大,超过20%。我们研究宇宙上百年,发现自己竟然只看到了4%,当然要搞清楚其余的是怎么回事,是何物质。何况,暗物质的存在已经理论物理证实,只是等待探测与捕捉,全世界该领域的科学家自然都会去努力寻找。”李金告诉记者,“大家将暗物质的寻找公认为21世纪最重大的物理问题。”

  李元景认为,暗物质的探测是多学科合作的过程,开展暗物质探测,可以有效带动我国相关技术的发展,如低噪声电子学的发展、更灵敏的探测器、更好的屏蔽技术等。

长征第一步
我国暗物质探测进入了实质阶段,最快明年得出首批数据

  目前各国都在加紧建设极深地下实验室。美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等国家已经建立起几十个空间大小不同的地下实验室,在这些实验室中开展了各种低本底实验。我国一直没有很好的地下实验室,特别是极深地下实验室。

  “实验室的建成和投入使用标志着我们国家暗物质探测进入了实质阶段,也标志着我国在低能量领域,暗物质探测占据了国际领先水平。”李元景介绍,从此以后,我们国家的科学家就不用去其他国家开展暗物质试验了。

  当然,实验室的建成还只是暗物质探测万里长征的第一步。李金透露,乐观估计,明年年底,将有第一批针对暗物质探测的数据被得出。

  子夜走笔

  梦想,最大的原动力

  在应用科学“热”于基础科学的今天,我国开展暗物质的探寻,其过程或许比结果更为重要。因为这个过程,是对科学家最朴实的好奇心与梦想的最大肯定;是对科学家们摒弃浮躁、耐得寂寞的最大鼓励;是向全世界彰显中国应用科学和基础科学并重、向科研大国坚实迈进的胸怀。

  在人类自我认知、世界认知的过程中,好奇心与梦想,始终是最大的原动力。诚然,暗物质的探寻只是宇宙学、理论物理学尚未解决的若干问题中的一个。但是,世界最深地下实验室的建成,必将极大凸显国家对基础科学的重视,极大唤起全社会对基础科学的兴趣,极大鼓舞从事暗物质研究以及其他基础科学难题研究的科研工作者。因为,那些需要耐得住寂寞的“冷科学”学科的学者们将会感知到,科学家的梦想会被呵护,好奇心将获鼓励。

  放眼未来,只要永远秉持那份梦想与好奇心,秉持探索和追寻的勇气,一个个科学难题的解决,还将遥远吗?(赵婀娜)

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2010-12-13]
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