如果掉入地下2400米,你会看到中国首个、世界最深的极深地下实验室——中国锦屏地下实验室。昨日,“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”启动仪式在四川省雅砻江锦屏山隧道举行。
这个实验室究竟是做什么的呢?
这是一所从事暗物质探测和开展相关学科研究的实验室,其中还包括低本底的测量和研究。暗物质探测器和低本底测量装置都安装在世界岩石覆盖最深,其垂直深度达2400米并具有世界一流实验环境的中国锦屏地下实验室。
暗物质是什么?
据普朗克卫星研究结果显示表明,我们所熟知的普通物质仅占宇宙总质量的约4.9%!这些普通物质构成了恒星、星系等可见宇宙。而宇宙中不可见的暗物质约占26.8%,其余68.3%则为暗能量。
曾经有这样一段话来形容暗物质:“科学家们深信,有一种神秘的物质,它们就像幽灵一样,弥漫在我们每个人周围,它可以轻易穿过每个人的身体,而又不被人察觉。”
我们为什么要研究暗物质?
暗物质理论和实验研究工作将极大扩展人类对于除普通物质之外的宇宙世界的认识,也为人类了解占宇宙更大质量份额的暗能量问题提供研究基础,因而成为当前粒子物理学、宇宙学、天体物理学等学科前沿的研究课题。它将是人类认识宇宙的一次重大飞跃,可能导致一场新的物理学革命。
系列报告为证:2002年,美国国家研究委员会的报告指出──21世纪的最重要11个物理学前沿研究课题,暗物质位列第一;2008年欧洲推出粒子物理、天体物理和宇宙学长期发展规划,提到的第一项重要研究内容就是暗物质研究;2009年,中国科学院战略研究系列报告《创新2050:科学技术与中国的未来》提出:暗物质是不远的未来可能出现革命性突破的重大基本科学课题。
为何要在2400米下建实验室?
目前,找到暗物质共有三种方法:
第一种是利用粒子对撞设备,看能否在实验中产生暗物质,这方面的代表是欧洲的大型强子对撞机。
第二种是在很深的地下挖个大坑,在坑底放上精密仪器来探测暗物质。
第三种是在太空进行间接探测。
中国锦屏地下实验室探测暗物质的方法属于第二种。
中国锦屏地下实验室2010年12月12日正式投入使用,它的深度决定了它受宇宙射线的干扰比其他地方都少,宇宙射线通量仅是地面亿分之一,2400米的埋深有效的屏蔽了宇宙射线,在国际上中国锦屏实验室的宇宙射线通量是最小的,并且可用空间最大,具备交通便捷、电力及水源充足、基础设施完备等优势。
锦屏地下实验室的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台,能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题,能够吸引国内外顶尖学者前往开展前沿物理实验,同时推动海洋科学、材料科学、环境科学、生物学等交叉领域的研究。
目前已有多个国家申请使用该实验室,想在锦屏破解暗物质,乃至中微子物理、核天体物理和深地岩石力学相关的前沿科学密码。
“跟跑”变“并跑”我国暗物质直接探测“飞跃”
欧洲、美国等许多国家都已经建立起地下实验室,其目的都希望能够成为在世界上最早发现暗物质的国家,但中国科学家凭借锦屏实验室的优势,被给予厚望。
2010年中国锦屏地下实验室投入使用后,清华大学主导的CDEX实验和上海交通大学牵头组织的PandaX实验进驻这里。
2012年,清华大学领导的CDEX实验组在锦屏地下实验室里获得了第一批宝贵的数据,并展开了数据分析。
2013年,实验组的首个研究成果就发表在国际权威物理期刊《物理评论D》(Physical Review D)上,这是我国第一个自主开展暗物质实验研究的物理结果,更为可喜的是,该实验成果对低质量区暗物质粒子的探测灵敏度达到了国际一流水平,确立了CDEX实验组在国际暗物质探测领域内第一阵营的地位,这极大地提升了我国在暗物质这一重大基础前沿研究领域的研究水平和国际影响力。
2016年7月21日,PandaX(熊猫计划)实验负责人在国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果,在3.3万公斤/天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制,这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。
“宇宙幽灵”在哪里?中国锦屏地下实验室的“熊猫”正在寻觅
自中国锦屏地下实验室一期建成投入使用以来,在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有,研究水平达到国际先进,由“跟跑”变成“并跑”。