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2011年1月10日 星期一

[犇報‧第22期] 捕捉「暗物質」

全球最深地下實驗室在四川啟動

上海交大和清華將在四川
錦屏山隧道建暗物質探測實驗室
(網路圖片)
        2010年12月12日上午,大陸首個極深地下實驗室——「中國錦屏地下實驗室」在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用,標誌著中國已具備開展物理學重大基礎科學研究的自主地下實驗平臺。

        該實驗室的投入使用,對於推動中國重大基礎前沿課題的自主研究和應用研究意義重大。地下實驗室,尤其是極深地下實驗室,是開展粒子物理與核子物理學、天體物理學及宇宙學等領域的暗物質探測研究、中微子物理實驗研究等,一些重大基礎性前沿課題的重要研究場所,是岩體力學、地球結構演化、生態學等學科開展相關實驗研究的重要環境,也是低放射性材料、環境核輻射污染檢測的良好環境。清華大學副校長康克軍介紹說,目前,美國、英國、法國、義大利、加拿大、日本等國家都建有很好的地下實驗室。此前,中國一直沒有很好的地下實驗室,特別是極深地下實驗室,以致許多相關領域的研究工作無法開展,或只能與國外有條件的實驗室聯合開展。


        「中國錦屏地下實驗室」利用二灘公司為建設水電站而修建的錦屏山隧道建成。在建設二灘水電站過程中,四川錦屏山底曾修建了18公里可以通行汽車的隧道,上面是2500多米厚的山體岩石。這條隧道除了有約2500米的岩石覆蓋層外,洞內岩體天然放射性極低,非常適合開展暗物質探測等基礎科學領域的探測試驗。2009年5月,清華大學與二灘公司簽訂戰略合作協議,決定利用錦屏山隧道垂直岩石覆蓋厚度國際最大,能將宇宙線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一,為相關實驗提供「乾淨」實驗環境的優勢,建設中國首個極深地下實驗室。

        上海交大今年2月剛成立的粒子物理宇宙學研究所,就相中了錦屏山隧道作為地下實驗室的建設地點,專門「搜捕」暗物質。目前這裏是世界上最優越的探測暗物質的環境。

「捕捉」暗物質很不易 

        讓不少人難以理解的是,暗物質在宇宙中,科學家為啥要「鑽」到地下去探測呢?這是因為暗物質是種頗有「個性」的粒子,它質量很大,但作用力卻微乎其微。

        「每天可能有幾萬億個暗物質穿過你的身體,但你卻感受不到,這是因為暗物質的散射截面很小。」倪凱旋打了一個比方,就像一隻足球能被球網擋住,但是一個小鐵球就能穿網而過,就是因為它的截面比球網的網格小。

        如何「網」住暗物質?科學家們也想了很多辦法。最初的辦法是天文觀測法,但是,卻無法解答「暗物質是什麼」。後來,人們又採取間接探測和直接探測的辦法。前者,是探測暗物質相互碰撞產生的普通物質粒子信號,一般通過地面或太空望遠鏡探測;後者,則是用原子核與暗物質碰撞,探測碰撞產生的信號。而在地面上,因為宇宙射線眾多,這些信號會對直接探測產生干擾,影響其鑒別能力。因此,地下實驗室可以幫助探測器「擋」去干擾,讓其「靜心」工作。

        「錦屏山的地下實驗室」是中國首個地下暗物質探測實驗室,它建成後將為中國科學家挑戰世界級科研難題提供舞臺。到目前為止,上海交大、清華兩個實驗組已確認將入駐地下實驗室。兩個實驗組的探測方式並不相同。交大將使用液氙探測器在此開展暗物質的直接探測,清華將採用低溫半導體開展探測。至於探測到暗物質之後能派上什麼用場,這對科研人員來說,仍是未知數。「粒子物理探求的是物質最深層次的奧秘,對未來的生活會發生怎樣的影響,我們現在還不得而知。就像電被發明時,人們尚無法想像後來的電視、電腦。但無論如何,每一個科學發現都使人們對物質世界的認識更進一步,這是最了不起的事。」

(資料來源︰《科技日報》)

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