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05新闻纵深2014年12月09日

2400米岩石之下暗物质就是他们仰望的“群星”


锦屏地下实验室二期工程施工现场。未来,这里会开展包括探测暗物质在内的更多深地科学领域实验项目。

覃建强、杨丽桃和罗志飞(从左到右),他们身后的墙壁里藏着清华探测暗物质的“宝贝”。

    ◎ 宇宙密度的95%以上是尚不为人们所了解的暗物质和暗能量。
    ◎ 中国锦屏地下实验室是目前世界上最深的地下实验室,垂直岩石覆盖达2400米。探测暗物质是这个实验室的重要使命。
    ◎ 锦屏地下实验室二期工程土建工作将于明年底完工,30倍于目前实验室面积的实验室群将成型。这里将不仅是探测暗物质的主战场。
    11月底,乘车从凉山西昌一路向北,在冕宁县漫水湾驶入锦屏水电站专用公路,溯流而上,河滩峡谷,山挤着山,两个小时后,车辆一头扎进全长17.5公里、开车通行需要半个小时的锦屏山隧道,我们此行的目的地、国内首个极深实验室锦屏地下实验室快到了。一项将带来未来新科学革命的研究在这个实验室开展。
    原子、分子、等离子体……这些人类熟知的重子物质只占宇宙总密度的4%或5%,宇宙密度的95%以上是尚不为人们所了解的暗物质和暗能量。探测暗物质正是这个实验室的重要使命。
    这里的实验有多神秘?科学家是怎样工作生活的?本报记者走进锦屏地下实验室,带你“零距离”感受。
□本报记者 刘川 文/图
3个“万万没想到”
    万万没想到,这样一个被世界物理学家视为“天堂”的实验室看起来竟如此简单。
    要进入目前世界上最深的地下实验室,我们满以为会像科幻电影中一样,穿过警卫森严的大门,坐着极速电梯一路下行2400米才能到达核心区。但万万没想到,进隧道行驶了10分钟左右,车子就在一个大门口停了下来,除了门口的密码锁这大门也再普通不过了。“到了。”司机说。
    原来,锦屏地下实验室就藏身于锦屏山腹部的隧道中部,垂直岩石覆盖达2400米只是它所承受的锦屏山的高度。
    国际上的地下实验室分两种,一种是利用废弃的矿井,另一种是利用隧道。隧道比矿井交通便捷性好,开车可直达,但找到合适的隧道并不容易,如果隧道比较短,就必须考虑从山侧穿入的宇宙线。所幸的是,锦屏地下实验室利用的长度17.5公里、穿越锦屏山的隧道是世界第二深埋隧道,再加上锦屏地下实验室周围的岩石纯度非常高,在这里,高能量的宇宙线被尽可能屏蔽,为暗物质探索提供了“干净”的环境。
    第二个“万万没想到”,是这样一个被世界物理学家视为“天堂”的实验室看起来竟如此简单。
    锦屏地下实验室呈“T”形结构,进门首先是一块上海交大和清华大学的公共区域,与这一区域垂直的是一个狭长的走廊,走廊中,上海交大的暗物质直接探测器材摆在中间,再向里走,穿过一道门,就到了清华大学暗物质实验室,4000立方米的实验室空间,看上去也就相当于3个大房间。
    记者睁大了眼睛,来回走了几圈,只看到一些大大小小像氧气罐一样的容器、像砖块一样的设备和仪器,看上去一点都不“科幻”。“最近有的设备停下来了在做升级,里面显得有点乱,不过你赶上也算幸运,一般我们实验室都不让人打扰呢。”随行的清华大学课题组工作人员覃建强说。
    最后一个“万万没想到”,是锦屏地下实验室里暗藏的“玄机”。
    清华暗物质实验室是双层结构,科学家们在底下一层做研究,第二层放设备。突然,就像芝麻开门一样,墙壁上弹出一个门,有人从门里走出来。原来,这最里面还有第三道门,里面藏的“宝贝”就是清华的暗物质探测仪器。“这个门可是1米厚的聚乙烯材料,用于阻拦和吸引中子。”覃建强边走边介绍,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的伽马射线,这些屏蔽设备几乎屏蔽掉了能够想到的一切辐射源。在最里面的低温液氮环境中躺着的是直接探测暗物质的1公斤高纯度锗实验探测器,“千足金只有99.9%的含量,即三个‘9’,但高纯度锗则达到12个‘9’以上的纯度。”
3个“地下工作者”
    不仅要干数据采集和分析的“细活儿”,也要干各种搬运重物的“粗活儿”,3个人都是“全能型人才”。
    目前,守卫探测器的是两位清华博士生,略显稚气的脸庞让人想不到他们都已经博士三年级和四年级了。
    1990年出生的杨丽桃是河北石家庄人,从四川大学本科毕业后进入清华硕博连读,2012年开始,杨丽桃就陆续在锦屏地下实验室工作。略显腼腆的他说起眼前的探测器话就多了起来,“做研究就要耐得住寂寞,在5-10年内想探测到暗物质会很难很难,我们做的是尽可能在实验上排除掉暗物质不可能存在的区域,在理论上进行不断地修正,为后来的研究者打好基础。”来自安徽六安的罗志飞比杨丽桃大两岁,也是杨丽桃的师兄,从小立志要做追求宇宙奥秘的科学家。
    二人所在的“战斗三人组”还有一名成员覃建强。地道的四川人,从成都理工大学毕业后就加入了清华团队,提供管理和生活协助。
    对他们3人来说,不仅要干专业性很强的数据采集和分析的“细活儿”,也要和中铁21局的工人师傅一起,干各种搬运重物、清洗屏蔽组件的“粗活儿”。他们自己开玩笑说,都是“全能型人才”。
    锦屏地下实验室四季恒温,不需要空调,实现了光纤、网络全覆盖。但与地面实验室不同的是,没有窗户,别说刮风下雨丝毫感觉不到,进去久了还容易搞不清外界是白天还是黑夜。“地下工作”时间久了,会不会不适?“地下实验室的通风设备很好,丝毫不会感到气闷,人在下面呆个半天,不会有任何异样的感觉。”覃建强介绍,一旦仪器运行稳定后,科研人员只需在地面上的办公室监控探测器运行即可,而地下实验室的所有数据也会传送至地面甚至还可以传回清华,科研人员无需24小时“守”着探测器。
30倍大的“实验室群”
    到明年底,锦屏地下实验室二期工程土建工作将完工,30倍于目前实验室面积的实验室群将成型。
    随着历时10年建设的锦屏水电站全面投产,曾经机器轰鸣、万人劳作的建设场面不见了,雅砻江水安静流淌,只有从锦屏山隧道里偶尔出来的卡车,暗示着这里还有唯一的建设现场——锦屏地下实验室二期工程。
    2009年,当清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司启动中国锦屏地下实验室建设时,锦屏地下实验室主任、清华大学教授程建平并没想到,这个实验室会在5年后迎来二期建设的启动。“当时我们基于开展暗物质研究的需要来建设,至于更大规模、能够容纳更多领域重大基础前沿课题研究的实验室建设,我们当时并没有想过。”程建平坦言。
    锦屏地下实验室目前容纳了上海交大、清华两个实验组,分别使用液氙探测器开展暗物质的直接探测和采用低温半导体开展探测。4年来,清华大学发表了3篇暗物质灵敏度实验结果,今年11月11日发表的最新论文更是进一步缩小暗物质存在区域,同时推翻了美国CoGeNT暗物质实验组近年来宣称“已经探测到暗物质存在区域”的结论;上海交大则发表了Panda X实验得到的首个物理结果。
    清华和上海交大都在准备更新换代探测设备。清华从1公斤高纯锗探测器向10公斤迈进,上海交大计划将120公斤的液态氙向500公斤级的探测器升级。而目前,世界上运行中最大的该类型探测器是美国的250公斤级LUX探测器。
    在参与CDEX研究的清华大学工程物理系副教授岳骞看来,锦屏地下实验室不仅可以探测暗物质,还可以开展地下核天体物理实验、太阳中微子等重大基础性前沿课题。“深地实验物理内容丰富,我国又有锦屏地下实验室这样得天独厚的深地实验条件,希望更多的人投身其中。”
    今年8月,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署共同建设中国锦屏地下实验室二期的合作协议,到明年底,锦屏地下实验室二期工程土建工作将完工,30倍于目前实验室面积的实验室群将会成型。不远的将来,这里不仅是探测暗物质的主战场,更多深地科学领域实验项目的开展,将使这里成为世界物理学家心中的圣地。
世界最深实验室“前五”
No.1
中国锦屏地下实验室(CJPL) 岩石覆盖厚度2400米
No.2
美国杜赛尔(DUSEL)二期地下实验室(在建)    岩石覆盖厚度2300米
No.3
加拿大斯诺(SNO)地下实验室 岩石覆盖厚度约2000米
No.4
法国摩丹(Modane)地下实验室 岩石覆盖厚度约1700米
No.5
意大利格兰萨索(GranSasso)地下实验室 岩石覆盖厚度约1400米
(数据参考清华大学工程物理系程建平等人发表的《国际地下实验室发展综述》)

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