最深的地下實(shí)驗(yàn)室

為什么要在地下那么深的地方建造實(shí)驗(yàn)室

揭開暗物質(zhì)和暗能量之謎，將是人類認(rèn)識(shí)宇宙的一次重大飛躍，可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。為此，需要探測(cè)暗物質(zhì)和暗能量的眾多實(shí)驗(yàn)裝置，其中就包括地下實(shí)驗(yàn)室。這種特殊的實(shí)驗(yàn)室還能幫助地質(zhì)學(xué)家和生態(tài)學(xué)家解決許多問題。

實(shí)驗(yàn)需要最“干凈”的環(huán)境。這里的“干凈”，是指輻射最少、雜質(zhì)最少。所以盡量遮蔽住宇宙射線，而用巖石阻擋是好辦法。

為了讓實(shí)驗(yàn)室變得更“干凈”，工作人員還對(duì)環(huán)境進(jìn)行了特殊的包裝。實(shí)驗(yàn)室外層是1米厚的聚乙烯材料，用于阻攔和吸引中子；然后是20厘米厚的鉛層，用于屏蔽外部的伽馬射線；20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子；10厘米厚的高純無氧銅，用于阻擋鉛材料及外部其他材料中的伽馬射線。這些屏蔽設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。

在中國(guó)四川省的大山深處，有一個(gè)非常神奇的實(shí)驗(yàn)室——中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400米，是目前世界埋深最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

暗物質(zhì)在宇宙中，為何要“鉆”到地下去探測(cè)

暗物質(zhì)是種特殊的粒子。它們的質(zhì)量很大，但作用力卻微乎其微。每天可能有幾萬億個(gè)暗物質(zhì)穿過你的身體，但你卻感受不到，因?yàn)榘滴镔|(zhì)的散射截面很小。打個(gè)比方，就像一只足球能被球網(wǎng)擋住，但是一個(gè)小鐵球就能穿網(wǎng)而過，就是因?yàn)樗慕孛姹惹蚓W(wǎng)的網(wǎng)格小。

如何“網(wǎng)”住暗物質(zhì)？科學(xué)家也想了很多辦法。最初的辦法是天文觀測(cè)，但卻無法解答“暗物質(zhì)是什么”。后來，科學(xué)家又嘗試通過地面或太空望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生的普通物質(zhì)粒子信號(hào)，還用原子核與暗物質(zhì)碰撞，探測(cè)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。而在地面上，宇宙射線眾多，干擾了探測(cè)。地下實(shí)驗(yàn)室可以幫助探測(cè)器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。

在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，主要做哪些實(shí)驗(yàn)

2010年12月中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式開始投入使用，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2012年，清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)組在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室里獲得了第一批寶貴的數(shù)據(jù)，并展開了數(shù)據(jù)分析。2013年，實(shí)驗(yàn)組的首個(gè)研究成果就發(fā)表在國(guó)際權(quán)威物理期刊《物理評(píng)論D》（Physical Review D）上，這是中國(guó)第一個(gè)自主開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的物理結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)成果對(duì)低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測(cè)靈敏度達(dá)到了國(guó)際一流水平。

上海交通大學(xué)主導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在錦屏實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熊貓計(jì)劃（Panda X），該實(shí)驗(yàn)利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測(cè)媒介來尋找暗物質(zhì)。其中的Panda X-I 125千克級(jí)氙探測(cè)器已經(jīng)于2014年3月正式運(yùn)行開始探測(cè)數(shù)據(jù)，是中國(guó)開展的首個(gè)百千克級(jí)大型暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，它的運(yùn)行結(jié)果標(biāo)志著中國(guó)在暗物質(zhì)探測(cè)這個(gè)前沿科學(xué)領(lǐng)域跨進(jìn)世界先進(jìn)行列。目前，Panda X- II 500千克級(jí)氙探測(cè)器正在建設(shè)中，建成后，將比國(guó)際最大的氙探測(cè)器LUX大約2倍，靈敏度提高5倍。

從2014年8月開始，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程開始建設(shè)，預(yù)計(jì)將于2015年底完成土建工作。二期工程將建成更多實(shí)驗(yàn)室及其輔助設(shè)施，總?cè)莘e將從目前的4000立方米，增加到12萬立方米，能夠容納更多的深地科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目同時(shí)開展，建成后將有望逐步發(fā)展成為國(guó)家級(jí)的面向世界開放的基礎(chǔ)研究平臺(tái)。也就是說，不久以后，世界各地的科學(xué)家能在這里開展深地科學(xué)研究啦。