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世界最深地下实验室在四川投入使用 将研究暗物质

来源:新民网    2010-12-14  赞(1)

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        (记者 许静)12月12日,我国首个极深地下实验室――“中国锦屏地下实验室”在我省雅砻江锦屏水电站正式投入使用。这个世界岩石覆盖最深的实验室的启用,标志着我国已经拥有开展物理学重大基础前沿科学研究的自主地下实验平台。

  该实验室是清华大学和二滩水电开发有限责任公司合作,利用二滩公司为建设水电站修建的锦屏山隧道建成的,其垂直岩石覆盖达2400米,是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室。

  据介绍,地下实验室尤其是极深地下实验室,是开展重大基础性前沿课题研究的重要场所,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,也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。地下实验室能为国家提供综合性的重大基础科学和应用科学研究平台,是一个国家关键性的重大基础科学研究设施。

  此前,美国、英国、法国等国都已经建立起地下实验室,我国一直没有很好的地下实验室,特别是极深地下实验室,许多相关领域的研究工作无法开展或只能与国外有条件的实验室联合开展。2009年5月,清华大学与二滩公司签订战略合作协议,决定利用锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度大,围岩放射性含量极低,能为相关实验提供“干净”实验环境的优势,建设我国首个极深地下实验室。初步测量显示,能够将宇宙线通量降到地面水平的约亿分之一。

  国务院国资委相关负责人表示,“中国锦屏地下实验室”的建成,开创了大型国有企业支持并与高校共同开展国家基础科学研究的典范,值得在全国推广。

  2400米深处寻找暗物质 “世纪之谜”有望在川破解

  12月12日,西昌锦屏山2400米深处,世界最深地下实验室落成

  茫茫宇宙,已知物质只占4%;而96%是我们不知道的,其中23%是暗物质,73%是暗能量

  锦屏实验室的落成,让我国暗物质领域研究基础一跃走到世界最前列

  □本报记者 许静

  “暗物质是目前笼罩在物理学上的一块乌云,是本世纪最大的谜团,如果能拨开这块乌云,人类将在探索宇宙的道路上实现重大突破。”诺贝尔物理学奖得主、华人物理科学家李政道如是说。

  茫茫宇宙,我们已知物质只占4%;而96%是我们不知道的,其中23%是暗物质,73%是暗能量。

  在四川西昌的锦屏山深处,一个被屏蔽在岩石下2400米深处、拥有世界上“最纯净”环境的地下实验室,正期待着“世纪之谜”的破解。

  12月12日,目前世界上最深的极深地下实验室――中国锦屏地下实验室,在锦屏二级水电站的交通隧洞向外扩挖的支洞内启用。这不仅结束了我国没有极深地下实验室的历史,还使我国科学家在暗物质领域的研究基础一跃走到了世界的最前列。

  解密暗物质:天外可能有“天”

  “寻找暗物质,也许会重建空间、时间概念,在有生之年实现星际旅行……”

  ――清华大学副校长康克军

  什么是暗物质?

  清华大学副校长康克军教授给出了这样的解释:按照万有引力定律,银河系周围的天体都是围绕银河星系的中心旋转的,离中心越近,旋转速度越快,越远则更慢。根据目前天文学观测的结果来看,接近银河系中心的天体旋转速度接近我们的预期,但远离银河系中心的天体旋转速度则远远大于预期。“这就说明可能有其它物质存在,正是它们影响着这些银河系中的星体的运动,尽管我们暂时还看不到、摸不着,但它确实通过引力作用显示了它的存在。”

  为什么要研究暗物质?它能给我们的生活带来什么?

  “在近50年中,人类社会的进步主要依赖于科学技术的创新,而对未知世界的探索将会让我们的科学技术进入更新的领域。”清华大学工程物理系教授李荐民说,虽然暗物质研究归属于非常前沿的物理科学,但也有现实的意义。在上个世纪初期,量子力学、广义相对论和狭义相对论也是前沿物理科学,对它们的研究结果,直接导致了半导体、晶体管、集成电路、光纤、卫星与通讯技术的发展,最终有了现在的计算机与信息社会。

  “我们通过寻找暗物质,对现有的宇宙构成就可能有更深入的了解,也许会重新建立一个空间、时间的概念,甚至可以找到星际互通的‘虫洞’,在有生之年实现星际旅行。”李荐民说,基础物理学科研究会改变着人类的生活。“比如尿不湿,就是当初美国为解决阿波罗号宇航员在宇宙飞船中上厕所发明的。还有万维网,也是为解决现代物理学研究过程结果的共享与大量分布计算问题而诞生的。”

  “用一句时兴的话说就是:科技改变生活。”李荐民做出了一个漂亮的上升手势。

  捕捉暗物质:各国科学家竞相“钻地”

  “如果发现暗物质,那将是近几十年以来最为重要的物理学研究成果。各国科学家都希望自己是首个发现暗物质的人。”

  ――二滩公司副总经理、中国锦屏地下实验室管委会委员吴世勇

  “暗物质是一种弱相互作用的物质,它的作用概率很低,科学家目前估计约为10的负46次方,相当于1年发生一到两次。”李荐民说,要找到暗物质必须在非常纯净的环境里,用极为灵敏的设备进行探测,而目前国际上较为成熟的方法就是在地下实验室中用高敏度的设备进行探测。

  美国科学家也正在美国南达科塔州侯姆斯特克的矿井中建设一个美国国家地下科学与工程实验室――杜赛尔地下实验室,预计2018年建成后其最深处约为2300米,相当于6座帝国大厦叠加在一起。据估计,这些项目耗资将超过6亿美元。目前该项目获得了前期研究经费,正在建设深度为1500米的地下实验室,这部分工作预计2012年或2013年完成。此外,其它国家的科学家也在向更深的地下进军。

  “因为宇宙射线无所不在,离地面越远,就能通过覆盖在上面的岩石和地层屏蔽更多的宇宙射线,从而有更纯粹的探测空间。”康克军指着锦屏地下实验室墙上的一张图解释,“目前,国际上主要的地下实验室有10多个,一种是地下矿井,一种是隧道。隧道在使用上更方便,可以直接开车进入,工作环境也好于矿井,但深度受到山高的限制,如果隧道较短,从山侧穿过的宇宙射线仍然会影响探测。”

  幸运的是,在雅砻江上有一个U型大转弯,长达150多公里,而两侧峡谷的直线距离不过20多公里,填充U字型中心的是海拔4000多米、相对高差两千五百多米的锦屏山。二滩公司在这里打通了两条长17.5公里的交通隧洞,是世界第二、国内第一的深隧洞,这成就了一个“世界上最好的地下实验室”。

  二滩公司副总经理、中国锦屏地下实验室管委会委员吴世勇透露,在2009年清华大学与二滩合作建设中国锦屏地下实验室的消息一公布,就在国际科学界引起了轰动。权威科学杂志《科学》就刊登了一篇名为《中国科学家在世界最深的地方实现最黑暗的梦想》的文章。

  美国在研究暗物质20多年后已首次测量到两个可能的暗物质事例。“各国科学家都在竞争,都希望自己是首个发现暗物质的人。”吴世勇说,如果发现暗物质,那将是近几十年以来最为重要的物理学研究成果。

  探秘地下实验室:见证世界上最纯净空气

  “这是世界上最好的地下实验室,期待中国科学家能从这里发出影响人类的声音。”

  ――国家自然科学基金委副主任、中科院院士沈文庆

  汽车从锦屏山隧洞驶入,20多分钟就到达了地下实验室。走进一个超厚的安全门,就是入口隧道;再往里走,就到了实验室的第二部分连接隧道。戴上安全帽、穿上绝缘鞋套,小心翼翼地掀开屏蔽门帘,进入最里面的主实验室厅,但进去后并无不适。整个大厅空旷明亮、温度适宜,眼前都是不同形状的探测器材。

  “整个大厅长度为40米,宽度为6.7米,高度为7.5米,恒温恒湿。”来自清华大学工程物理系的师生们穿着像航空服的白色工作服忙碌着。他们说,这里的通风条件很好,丝毫不会感到气闷,一旦仪器运行稳定后,只需在洞口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。在清华大学工程物理系的实验室中,通过电信专线与洞口实验室建立了一个数据通讯网络,对所有探测数据进行记录、存储和管理。这里的工作环境和室外实验室唯一的区别是“环境更纯净”。

  “通常在地面每秒每平方米大约有100多个宇宙射线,海拔高的地方宇宙线会更多一些。”一名工作人员说,初步估计表明,该地下实验室的宇宙线通量相当于地面宇宙线通量的亿分之一甚至更小。

  此外,该地下实验室地点的地质构造和岩石取样分析表明,实验室周围岩石整体由大理岩构成,其天然放射性非常低,一些主要岩石放射性低于地表正常环境的几十分之一到几百分之一。“这里的实验大厅环境达到了10万级空气净化要求,即每一公升空气里面含有的大于0.5微米的粉尘少于350个,而我们正常的空气中的含量则为一万个以上。”

  除了环境纯净,探测仪器也非常纯净――

  李荐民指着位于主实验室最里层的一个白色房子中的一个小罐子说,这是人类迄今为止能够生产的最纯净的物质――“千足金只有99.9%的含量,即三个‘9’,但高纯度锗将达到12个9以上的精度。”里面已经安装了20克的高纯锗实验探测器,不久将建成一个10公斤的探测器陈列。

  除利用岩层屏蔽高能量的宇宙射线外,实验室本身还有相当复杂的人工屏蔽方法。高纯锗探测器屏蔽最外层是1米厚的聚乙烯,阻挡岩石中的中子射线,中间用20厘米厚的铅层屏蔽伽马光子,里层用10厘米的无氧铜屏蔽,最后才是高纯锗探测器的工作空间――一个零下约180多度的液态氩容器。日后,更多的高纯度锗就会像糖葫芦一样穿起来浸泡在这里。同时为了防止四周岩石内释放放射性气体,在实验室的内墙壁上还涂有了阻断岩体释放辐射氡气的涂层。

  “这是世界上最好的地下实验室,我们期待中国科学家能从这里发出影响人类的声音。”国家自然科学基金委副主任、中科院院士沈文庆充满期待地说。

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