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          中國錦屏地下實驗室將建**蕞大暗物質探測器

          發布時間: 2022-10-12    作者:來源:四川日報
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          • 中國錦屏地下實驗室示意圖。   雅礱江流域水電開發有限公司供圖

            中國錦屏地下實驗室內部圖。雅礱江流域水電開發有限公司供圖




                

            在涼山州木里縣、鹽源縣與冕寧縣交界處,150公里長的雅礱江錦屏大河灣,矗立著兩座...水電站——錦屏一級水電站,擁有世界..高壩;錦屏二級水電站,擁有世界.大規模的水工隧洞群。
            連接兩座電站、長17.5公里的錦屏山隧道里,藏著世界.深.大的極深地下實驗室——中國錦屏地下實驗室。
            暗物質、核天體物理、中微子、巖石力學……這些前沿科技的研究,都從這座地下2400米的實驗室起航,奔赴星辰大海。

            大事記
            ●2009年5月
            清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽訂戰略合作協議,啟動中國錦屏地下實驗室建設
            ●2010年12月
            中國錦屏地下實驗室正式投入使用
            ●2014年8月
            清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署協議,共同建設中國錦屏地下實驗室(二期)項目
            ●2016年
            中國錦屏地下實驗室(二期)項目被列入國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃
            ●2019年7月
            中國錦屏地下實驗室正式啟動國家重大科技基礎設施項目建設
            ●2020年12月
            雅礱江流域水電開發有限公司錦屏地下實驗室管理局成立,錦屏大設施正式開工建設
            ●2021年3月
            國家“十四五”規劃發布,錦屏大設施躋身前瞻引領型國家重大科技基礎設施

            世界極深實驗室排名
            ●2400米(巖石覆蓋厚度)
            中國錦屏地下實驗室
            ●2000米
            加拿大斯諾地下實驗室
            ●1700米
            法國摩丹地下實驗室
            ●1400米
            意大利格蘭薩索地下實驗室
            ●1100米
            英國伯畢地下實驗室
            ●1000米
            日本神崗地下實驗室
            ●700米
            韓國襄陽(Y2L)地下實驗室
            ●600米
            美國蘇丹地下實驗室

            □四川日報全媒體記者 李欣憶

            2400米隧洞深處
            神秘地下實驗室一年半建成

            9月22日,乘車從涼山州西昌市一路向北,在冕寧縣漫水灣駛入錦屏水電站專用公路,溯流而上,河灘峽谷,山擠著山。約兩小時后,車輛一頭扎進開車通行需半小時的錦屏山隧道。就像進入一個洞穴迷宮,我們穿過一個又一個洞穴,行至隧道中央,中國錦屏地下實驗室到了。
            實驗室與水電站的結緣,緣于一次偶然。2008年8月8日,錦屏山隧道全線貫通。清華大學工程物理系一位老師從新聞里得知錦屏山隧道巖石覆蓋達2400米,興奮不已?!斑@不正是暗物質實驗夢寐以求的地方嗎?”
            我們能看到的普通物質,在整個宇宙物質質量中只占不到15%,剩余85%都是看不到的物質,科學家們稱其為暗物質。人類關于暗物質的研究可追溯到80多年前,天文學家意識到,星系中恒星的運動速度實在是太快了,如果不是因為什么神秘的力量“抓住”了它,它們很有可能飛出去。
            但暗物質一直是個謎,抓取難度很大,到目前為止,世界上也沒有人真正捕捉到它。而探測暗物質,需要建設深地實驗室,利用巖層阻擋宇宙射線的干擾,為科學實驗提供.“純凈”的環境。在中國錦屏地下實驗室建成之前,深地實驗室僅在發達國家有建,清華大學等科研院所只能利用國外的深地實驗室進行暗物質研究。
            錦屏山隧道全線貫通后,清華大學立即與雅礱江公司取得聯系,希望利用錦屏山隧道的絕佳條件建設實驗室。但錦屏山隧道是地質條件極為復雜的水工隧洞,在此基礎上擴挖實驗室,面臨巨大挑戰。
            采訪中,正在施工的實驗室二期工地現場,我們碰到了雅礱江流域水電開發有限公司錦屏地下實驗室管理局常務副局長李名川。據他介紹,在中國錦屏地下實驗室一期選址和建設過程中,清華大學研究團隊詳細測量了錦屏山隧道中部的巖石放射性和宇宙線通量,確認了錦屏山隧道中部覆蓋巖石是純凈的大理巖,該位置的宇宙線通量約為地面的億分之一,是非常理想的建設大型地下實驗平臺的地方。面對種種風險與挑戰,雅礱江公司毅然決定支持國家基礎科研,與清華大學共建中國錦屏地下實驗室。
            通過科學論證解決安全風險,中國錦屏地下實驗室歷經一年半建設,于2010年12月正式投入使用。

            穿了6層“盔甲”
            只為等待一次載入史冊的碰撞

            走進中國錦屏地下實驗室大門,再穿過幾道鋁合金門之后,一個神秘的空間展現眼前。我們睜大眼睛,來回走了幾圈,只看到一些大大小小像氧氣罐一樣的容器、像磚塊一樣的設備和儀器,看上去似乎不太科幻。
            發現并研究暗物質,可能引發物理學革命,但由于暗物質的聲音實在太小,探測難度極大。有..打比方說,就好像在人聲鼎沸的體育場里看比賽,還要聽清一根針掉落的聲音。因此要想探測它,需要把周圍的干擾物質去掉。這些干擾物質包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。
            清華大學工程物理系首席研究員岳騫介紹,中國錦屏地下實驗室隱藏在山體下,巨大的巖層成為宇宙線的天然屏障,可以屏蔽大量的宇宙線粒子。但這還不夠,為了進一步去掉干擾物質,這個神秘空間設置了重重防護“盔甲”。
            ..層為天然巖石屏障;第二層澆筑了50厘米厚的混凝土作為洞室安全支護結構;第三層放置了1米厚的聚乙烯,用于屏蔽中子;第四層為20厘米厚的鉛房子,用于屏蔽伽馬射線;第五層為20厘米厚的含硼聚乙烯,用于吸收熱中子;第六層為10厘米厚的銅房子,用于屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。
            這些設備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。重重“盔甲”保護之下,低溫液氮環境中,躺著的則是直接探測暗物質的1公斤高純鍺實驗探測器。暗物質探測器需要零下196攝氏度的工作環境,因此空間內將不斷注入液氮?!扒ё憬鹬挥?9.9%的含量,即3個‘9’,但高純鍺晶體純度則達到12個‘9’以上?!痹莉q說,暗物質探測器將所探測到的信號全部記錄下來之后,清華大學在北京后方的暗物質實驗室同步分析數據,開展相關研究。
            目前,暗物質探測方法大體分為“上天”“入地”“人造暗物質”3種。中國錦屏地下實驗室探測暗物質的方法屬于“入地”——在地下放置暗物質探測器,等待暗物質撞上來?!昂唵蝸碚f就是守株待兔?!痹莉q說,探測器可以記錄下所有與它產生碰撞的信號,如果探測到與普通物質不同的信號,那么就有可能是暗物質,“我們一直在等待一次載入史冊的碰撞?!?br style="margin:0px;padding:0px;list-style:none;" />
            實驗室可用空間增加到30萬立方米
            將吸引更多國內外..科學團隊入駐

            實驗室投用后,首批進駐的有清華大學、上海交通大學兩個實驗組。經過這些年研究,兩個實驗組取得近30項國際..成果,盡管沒能直接探測到暗物質,但是通過排除法縮小了探測范圍,使我國暗物質直接探測實驗從無到有,研究水平達到國際先進,由“跟跑”變為“并跑”。這兩個實驗組還將在中國錦屏地下實驗室建成更大規模的、可同時探測暗物質和中微子的大型實驗裝置,探尋暗物質和中微子的..奧秘。
            2020年,中核集團和中科院在中國錦屏地下實驗室建成世界.強流深地核天體物理加速器,并成功出束;未來還將在實驗室開展世界上.先進的深地核天體物理實驗,使我國成為世界核天體物理直接測量的中心。此外,中國科學家還將在這里建成國際上..個可同時測量切倫科夫光與閃爍光的大型中微子望遠鏡,在探索太陽和地球中微子的能力和精度上力爭做到世界..。以中科院武漢巖土所及四川大學為代表的巖土力學實驗組,將深入研究深地巖石力學、深地地震工程學與地球物理學等國際.前沿的深地基礎科學問題。
            不斷斬獲科研成果的同時,中國錦屏地下實驗室的面積也將擴大。這座山體里的洞室,將在未來打開更多可能。
            2016年我國提出“向地球深部進軍”,同年,實驗室二期項目錦屏大設施被列入國家重大科技基礎設施建設“十三五”規劃。經過二期擴建,中國錦屏地下實驗室可用空間由之前的4000立方米增加到30萬立方米,擴大近80倍。這里將建設世界.大的暗物質探測器,也將開展多種學科的深地實驗。
            李名川介紹,目前錦屏大設施整個洞室的開挖、擴挖、加固工作已經完成,相當于毛坯房完成。主體工程建設正進入高峰期,正在施工的是“防水抑氡工程”和鋼結構工程。氡是放射性氣體,不僅是影響人體健康的一類致癌物,而且其衰變產生的放射性粒子進入探測器,會干擾實驗結果?!耙虼?,我們決定用10層材料將整個實驗空間包裹起來,就像給實驗室做了一個雞蛋殼,蛋殼內部是實驗空間?!崩蠲ㄕf,這10層材料組成的殼體面積共11萬平方米,只有10厘米厚,特殊定制的材料本身輻射很低,既防水又抑制氡氣進入實驗室,同時材料用量少,減少了環境輻射,保證實驗空間.大。據預計,錦屏大設施土建工程將于2023年6月基本完工,將于2024年11月建成投入使用。
            中國錦屏地下實驗室項目相關負責人表示,憑借國際..的綜合條件和科研成果,錦屏大設施在國內外產生了強大的學術影響力,后續還將會吸引更多的國內外..科學團隊入駐,形成粒子物理、核天體物理、宇宙學、生命科學、巖石力學等多學科交叉的...開放共享實驗平臺,成為全球深地科學研究的“圣地”。

            【對話】
            在地下2400米工作是什么樣的體驗
            □四川日報全媒體記者 李欣憶
            “90后”景明坤已在中國錦屏地下實驗室工作了整整7個年頭。本科從成都理工大學畢業后,他就扎進了這座深山里的實驗室,成為清華大學錦屏實驗室項目的科研助理。
            在地下2400米深處工作是一種什么體驗?科研人員日常工作都有哪些?近日,記者跟他聊了聊。
            記者:你的日常工作主要是什么?
            景明坤:工作在不同階段各有側重。前期不僅要干專業性很強的“細活兒”——超純材料放射性活度測量實驗的數據采集和分析,還要和工人師傅們一起干各種“粗活兒”,比如搬運重物、清洗屏蔽組件。以前,我連擰螺絲都不太會,但到了實驗室,很多設備要自己裝、自己調,迅速上手,學會了獨當一面?,F在,你能在修理鋪子、加工車間看到的工具,我基本上都會用了。
            后來,我的主要任務是檢測各類樣本的輻射本底。.近這段時間,由于實驗室在擴容,工作量比較大,水泥、鋼筋、磚塊等各類建筑材料要先通過檢驗,才能正式投入實驗室建設。
            記者:怎么個檢測法?
            景明坤:拿到樣本材料,攪拌至均勻,放入樣品盒中,裝滿壓實,再放入儀器,進行基礎數據的測量。儀器工作時,我就在電腦上草擬報告,之后,提取儀器給出的能譜圖中的關鍵信息,進行模擬計算,得到.終數值,將數值和基準值進行對比,就可以判斷材料是否合格。
            記者:你每天在實驗室待多久?
            景明坤:上個月,我測了110份材料,每份材料測量耗時約3個小時,每天在實驗室待10個小時以上。實驗室四季恒溫,冬暖夏涼,實現了光纖、網絡全覆蓋,可以用WiFi。這里..與地面實驗室不同的是沒有窗戶,刮風下雨絲毫感覺不到,也讓我常常分不清外界是白天還是黑夜。
            記者:覺得枯燥嗎?
            景明坤:早就習慣了,并不覺得枯燥,研究本身就很有樂趣。實驗室已經產出過一些國際前沿研究成果,暗物質探測團隊正在一步步縮小暗物質可能的藏身范圍。我有時也會想,那些厲害成果的背后,也有我的一小份力量。
            記者:你對正在擴建的二期項目有什么期待?
            景明坤:中國錦屏地下實驗室正在進行二期擴建,科研人員期待它將來變成全球深地科學研究中心,屆時不同的團隊帶著各自待解的謎題,匯聚于此。我想,以后會有更多任務、更復雜的工作,我要不斷提升自己,去面對更多挑戰。我沒有想過未來還會堅守多久,只希望能踏踏實實地把科研做下去。
               東藍星有幸為中國錦屏地下實驗室的建設提供優質無機納米材料,公司將研發生產更多優質的工程材料,為祖國的發展建設添一份力!

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