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科学家在四川地底深处,建了座世界最深实验室,究竟在研究什么?

 singer0852 2022-10-19 发布于北京

2010年12月12日,中国在四川西昌彝族自治州锦屏山地下,修建的地下实验室正式投入使用。

数据显示,锦屏地下实验室的体积为4000立方米,垂直岩石覆盖达2400米,是世界岩石覆盖最深的实验室。

那么问题来了,我国为何要在地下建立一座实验室呢?

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暗物质实验室的探索

从古至今,人类一直都在探寻宇宙的奥秘,但是由于科学技术的有限,到目前为止,我们对于宇宙中的许多现象都无法做出合理的解释。

比如1932年爱因斯坦与威廉·德西特共同发表了一篇论文,认为宇宙当中存在着一种“看不见的不发光物质”,也就是我们所说的暗物质。

因为它看不见、摸不着,几乎不和任何物体发生作用。

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所以如今这么多年过去了,人类只能够确定的是暗物质几乎占据了宇宙物质的26.8%,运动速度或许比光速慢很多,但是并没有捕捉到暗物质的足迹。

为了更加全面地了解宇宙,21世纪以来,国际上相继开展了20多个捕捉暗物质的探测实验,至于探测方法则分为“上天”“入地”和“人造暗物质”三类。

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其中“上天”指间接探测实验,,为减少地球大气层的干扰,通常在太空进行;“入地”指直接探测实验,为减少宇宙线的干扰,通常在地下实验室进行;

“人造暗物质”指加速器实验,即通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子,主要在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行。

但是不论是在太空探测还是人造暗物质再探测,都会受到宇宙中其他射线的干扰,而建立地下实验室则可以避免这种不便。

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所以如今许多国家为了进行暗物质研究,都建立了属于自己的地下实验室。比如2009年,美国也在南达科塔州的黑山,建立了一个深度约为2438米的地下实验室。

2010年10月日本也在位于岐阜县飞鳍市神冈矿山地下,建设了XMASS地下实验室,英国一个深达350米的地下实验室也于2010年4月份启动使用。

然而就在其他国家火力全开寻找暗物质时,我们国家却连自己的地下实验室都还没有,所以许多相关研究无法进行,或者只能跟国外开展合作。

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我国暗物质实验室的选址

都说无巧不成书,我国暗物质实验室的选址过程亦是如此。

2003年时任清华大学副校长的程建平,在电视上看到我国18000名水电开发者,为修建锦屏一、二级水电站,将在锦屏山开凿出一条交通隧道的消息后。

敏锐地意识到,这条隧道就是暗物质实验室的最佳地址,于是程建平教授领着团队奔赴四川,找负责锦屏水电站工程的雅砻江公司商议多次,终于达成了合作。

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2009年5月8日中国锦屏地下实验室正式启动建设,到了2010年12月12日,4000立方米的“中国锦屏地下实验室”,在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用。

作为世界上岩石覆盖最深的实验室,锦屏地下实验室内的宇宙射线通量,只有地面水平的千万分之一到亿分之一,是目前国际上宇宙射线通量最低的地下实验室。

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正因如此,锦屏地下实验室可以为暗物质的探寻工作,提供更为“干净”的实验环境。

实验室启动后,清华大学牵头的,盘古计划(CDEX)高纯锗暗物质实验,和上海交通大学牵头的熊猫计划(PandaX)液氙暗物质实验项目,便率先进行了入驻。

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我国暗物质研究的成果

虽然两大项目都是对暗物质进行直接探测,即测量暗物质粒子直接弹性碰撞普通物质,引起的反冲核的数量和能量等数值,但是两个实验组的探测方式并不相同。

清华将采用低温半导体开展探测,上海交大则将使用液氙探测器开展暗物质的直接探测,而在我国科研人员坚持不懈的努力下,中国锦屏地下实验室里接二连三地传来了好消息。

2013年,CDEX合作组发表了我国首个暗物质直接探测实验结果。2014年,给出点电极高纯锗暗物质探测方面国际最灵敏实验结果。

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这一结果利用相同探测技术,确定性地排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质存在区域,而PandaX的实验结果,曾入选2016年度《科技导报》十大科学进展和2017年度美国物理学会亮点。

尽管取得了如此优秀的成绩,但是在暗物质的研究方面我们依然有很长的路要走,此时4000立方米的实验室显得愈发捉襟见肘。

于是在2014年,清华大学和雅砻江公司继续合作,开挖锦屏地下实验室二期工程,将地下可用实验空间由原来的4000立方米增加到30万立方米。

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2016年,该项目获得国家发改委的正式批复,并被列入了国家重大科技基础设施“十三五”规划,同时它也被更名为“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”。

2020年12月20日,该项目正式开工,并计划于2024年12月正式投入运营。

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相信二期工程完成后,我国的科研人员便可以大展身手,做出更多的科研成果了!

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