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十年梦圆 打造世界最深地下实验室

●新闻中心记者 刘蔚如

“中国锦屏地下实验室”揭牌仪式现场 (摄影 郭海军)

  2008年8月8日,当世人的目光都聚焦于北京奥运会开幕式时,我校工物系副教授岳骞却被一则不太起眼的消息深深吸引住了:“世界第二深埋隧道———锦屏山交通隧道全线贯通”。

  岳骞立刻想到,这可能是我国建设自己的极深地下实验室的一个契机。很快,他通过朋友找到了修建锦屏山隧道的二滩公司的工作人员,根据从他们那里初步了解到的信息,岳骞意识到,我国一直没有很好的地下实验室的情况有可能被改变。

  利用锦屏山隧道建设地下实验室的想法,得到国内粒子物理、天体物理领域同行的积极响应。

  校长顾秉林,校党委书记胡和平,副校长康克军、程建平等学校领导高度重视这一情况,认为建设我国自己的极深地下实验室,对于推动相关领域重大基础性前沿课题的自主研究具有重大意义。校领导先后多次前往锦屏山隧道考察,并与二滩公司进行沟通和探讨。2009年5月8日,我校与二滩公司签订战略合作协议,决定在锦屏山隧道建设我国第一个极深地下实验室。

  从去年8月确定实验室选址,到今年1月完成全部岩石挖掘工作,再到6月完成实验室配套工程建设,在我校和二滩公司的密切合作与共同努力下,实验室的建设工作迅速而有条不紊地推进着。12月12日,中国锦屏地下实验室投入使用仪式在四川雅砻江锦屏水电站隆重举行,标志着这个世界岩石覆盖最深的实验室、也是我国首个极深地下实验室正式启用。

  为了揭开现代物理学“乌云”之谜

  欧洲物理学家在展望20世纪物理学前景时曾说,物理学美丽而晴朗的天空被“两朵乌云”笼罩了。而对这“两朵乌云”的探究,使得量子论和相对论被发现,为物理学研究带来革命性的变革,极大地推进了人类对物质世界的认识。

  如今,在21世纪现代物理学的晴朗天空中也有着“两朵乌云”———暗物质和暗能量。揭开暗物质和暗能量这“两朵乌云”之谜,将可能导致一场新的物理学革命,促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。

  暗物质是指那些基本不发射任何光及电磁辐射的物质,人们目前只能通过引力产生的效应得知它的存在。现代天文学研究表明:构成宇宙质量的主要成分是暗能量,约占宇宙总质量的73%。但是人类对暗能量基本没有太多认识,目前也没有比较成熟的理论加以描述。宇宙其余质量部分则由物质构成,其中发光物质只占宇宙总质量的4%,对于这部分物质,人类已经有了较为广泛和深入的了解,基本可以由粒子物理学标准模型来描述。而对于占宇宙总质量约23%的暗物质,目前人类的认识还远远不够。

  我校副校长、暗物质实验组负责人康克军介绍说,由于暗物质粒子与探测器发生相互作用的几率非常小,因此开展探测实验时需要将大量的背景信号去掉,才可能测量到真正的暗物质。在这些需要去掉的背景信号中,有很多是由宇宙线引起的,高能量的宇宙线可以穿透地面到达很深的地下。因此,暗物质探测实验需要将探测器放置在很深的地下实验室里,利用巨大的山体岩石或地表土壤将宇宙线的通量尽可能降低。可以说,极深地下实验室是开展暗物质直接探测工作的必要场所。

  在国际上,美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等许多国家都已经建立起地下实验室。正因如此,长期从事暗物质探测研究、却一直苦于国内没有很好的地下实验室的岳骞,才会在看到锦屏山隧道贯通的消息时显得格外激动。

  十年漫漫探寻路

  从2000年我校开始参与暗物质研究算起,已经有十年的时间了。这十年间,在国内寻找合适的地下实验室的努力一直没有间断。

  没有地下实验室,许多相关领域的实验研究就无法开展。为了继续暗物质的探测研究,2002年,我校研究人员开始参与到韩国地下实验室的建设中。这个位于韩国襄阳(Y2L)的地下实验室建在一座抽水蓄能电站地下厂房附近的隧道中,约有700米深,在地下实验室中属于比较浅的,而且实验室地处荒山野岭,周围几乎没有人居住,条件非常艰苦。

  在这种情况下,我校研究人员一方面协助韩国同行利用碘化铯探测暗物质,另一方面也在2003年提出了利用高纯锗探测暗物质的研究计划。他们在调研中发现,国际上的暗物质实验几乎都集中在高质量区,而理论分析显示,暗物质的质量分布是非常宽的。研究人员同时发现,探测器的能量阈值不够低是限制暗物质探测实验向低能量区发展的主要原因,于是他们制定了利用低能量阈值的探测器测量低质量区间暗物质的研究计划,这一研究成果于2004年发表在《高能物理与核物理》杂志上。

  与此同时,大家也一直没有放弃在国内寻找适合建设地下实验室的地点的努力。“河北的峪耳崖金矿,还有北京、东北的一些煤矿,我都打电话去问过。虽然有些矿很深,但条件都太差,没有稳定的电力、网络和洁净的空气系统等等,这些都使得基本的实验条件无法得到保障,甚至有些连生活条件都不具备,所以这件事情一直进展很慢。”对此,岳骞深感无奈。

  实际上,国内一些相关研究领域的科学家们很早就开始寻找合适的地下实验室了。因为地下实验室不仅是开展暗物质研究的重要场所,也是粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域一系列重大基础性前沿课题的重要研究场所,还是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境和低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。我校副校长、中国锦屏地下实验室主任程建平一直非常关注国内地下实验室的寻找建设情况,他介绍说:“好的地下实验室,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,是一个国家关键性的重大基础科学研究设施。”

  经历了十余年艰苦的探寻,机会终于到来。二滩公司为建设大型水电站而修建的两条交通隧道全线贯通,隧道全长17.5公里,岩石覆盖厚度大于1500米的部分超过70%,其中垂直岩石覆盖最深的地方达2400米,这是非常理想的极深地下实验室建设场所。

  清华精神 二滩速度

  2009年2月新学期开学的第一天,程建平带领我校研究人员前往四川,开始就建设地下实验室的事宜与二滩公司协商。当了解到想在锦屏山隧道建设实验室并从事研究工作的是清华工物系的老师们,二滩公司方面的第一反应就是 “这是做核实验,不仅可能耽误水电站建设工期,而且可能存在危险的辐射和涉及国家安全问题,很困难”。

  在进一步的接触和沟通中,学校方面详细地向二滩公司解释了暗物质探测研究的基础前沿属性和重大意义,消除了他们的误解和疑虑,建设地下实验室的想法得到二滩公司的高度重视和大力支持。

  长期以来,我国高校和企业的科研合作多集中在可以产生现实经济效益的应用研究领域,而基础研究领域普遍存在着资金短缺的现象。程建平强调:“以国家现阶段的国力和财力,不可能投入那么大的资金到基础研究领域,在这种情况下,企业、社会等各方面如果能够对基础研究有所支持的话,将对我国基础研究的发展起到很大的推动作用。二滩公司与清华的合作,开创了企业支持高校开展基础研究的新模式。”

  在双方领导的高度重视下,实验室建设工作迅速推进。2009年8月,实验室地址确定。地质构造和岩石取样分析结果表明,所选地点周围岩石整体由大理岩构成,其天然放射性杂质含量非常低,一些主要岩石放射性核素含量低于北京地表正常环境水平的约几十分之一到几百分之一,是一个非常好的实验环境。

  为了不影响整体工期,在二滩公司的协助下,所有参与实验室挖掘工作的施工人员都加班加点,终于在今年1月完成了全部的岩石挖掘工作。6月,所有实验室配套工程完工并通过评审和验收,标志着中国锦屏地下实验室正式建成。相比之下,美国在2008年决定投资6亿多美元建设深达2300米的杜赛尔(DUSEL)地下实验室,预计在2018年才能建成。我校与二滩公司以实干的精神、密切的配合和高效的工作,在如此短的时间内完成地下实验室的建设,创造了 “清华精神、二滩速度”的奇迹。

  建成的地下实验室位于锦屏交通隧道中部,空间容积约4000立方米,包括入口隧道、连接隧道和主实验厅三部分,其中主实验厅长约40米,宽约6.5米,高度为7.5米。主实验厅恒温恒湿,达到10万级空气净化要求,分为暗物质探测实验区、低本底测量实验区、电子学与信号系统工作区。

  同时,在位于隧道东端出口的监控楼里,还有一个洞口实验室用于实验数据存储、通讯,实验设备维护,实验材料准备与实验人员居住等。洞口实验室采用专用的光纤网络与地下实验室相联,采集并存贮地下实验室各类设备信号数据,同时通过视频系统监控地下实验室内的各项实验活动。平时,实验人员可以在洞口实验室工作和生活,在调试实验设备时下到地下实验室中。而在洞口实验室与我校工物系的远程数据中心之间,通过电信专线建立了数据通讯网络,可以记录、存贮和管理实验数据,并按照实验合作研究的要求与国内外合作单位共享实验数据。

  评价地下实验室性能的最重要参数就是宇宙线通量水平。根据初步模拟和测量,中国锦屏地下实验室的宇宙线通量约为每年每平方米小于100个宇宙线的水平,约为地面水平的亿分之一,是非常“干净”的实验环境。此外,实验室可以开车直达,比在矿井中建设的地下实验室交通更为便捷,锦屏隧道周围的配套工作生活设施完善,这些因素使得中国锦屏地下实验室可以称得上是国际上综合条件最好的极深地下实验场所。

  推动重大基础前沿课题的自主研究

  如今,由我校副校长康克军担任首席科学家,清华大学、四川大学、中国原子能科学研究院、南开大学和二滩水电开发有限责任公司等单位参与的中国暗物质实验合作组已将一组高纯锗探测器安装在中国锦屏地下实验室中,并启动10kg高纯锗阵列探测器开展暗物质实验的研究计划。中国暗物质实验合作组采用的高纯锗探测器由纯度高达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,预期首先在较低质量区间得到国际一流的暗物质实验结果,并为开展未来吨量级高纯锗测量暗物质实验奠定技术基础。

  与此同时,中国暗物质实验合作组还开展了高纯锗探测器的自主研制计划,自主研制高纯锗探测器可以大幅降低高纯锗探测器的制造成本,有利于开展自主吨量级暗物质实验研究并推动我国先进半导体探测器的研制。康克军强调:“开展高纯锗探测器的自主创新研究可以提升我国高端产业竞争力,也能够促进暗物质等重大基础前沿科学研究。”

  地下实验室作为低宇宙线强度、低辐射本底的特殊环境,还可以建设超低本底放射性核素活度的测量平台,为我国的核辐射防护、国土海洋放射性水平普查、超纯材料研制等方面的应用提供基础性测试平台。

  除此之外,中国锦屏地下实验室还可以开展宇宙线通量、环境本底、地质结构等方面的深入研究,为我国未来建设国家级的大型极深地下科学与工程实验室奠定坚实的工作基础。

  综合来看,地下实验室是一个国家关键性的重大基础科学研究设施,为国家提供综合性的重大基础科学和应用科学研究平台。中国锦屏地下实验室的建成启用,标志着我国已经具备开展物理学重大基础前沿科学研究的自主地下实验平台,对于推动我国重大基础前沿课题的自主研究意义重大。

      来源:新清华 1824期

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2010-12-20]
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