世界最深地下實驗室在川投用
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現在網消息
中國影星劉燁曾出演過美國影片《暗物質》，許多科學“粉絲”對宇宙中神秘的暗物質開始著迷。看不見摸不著的暗物質究竟是什麼，成為21世紀最大的科學謎團。為了揭開暗物質神秘的面紗，全世界的科學家各顯神通致力於“捕捉”暗物質，想將它“看”個明白。 作為中國首個極深地下實驗室，中國錦屏地下實驗室12日在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用，這個世界岩石覆蓋最深的實驗室的啟用標誌著中國已經擁有開展物理學重大基礎前沿科學研究的自主地下實驗平臺。 實驗室在岩下2400米 清華大學副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平說，實驗室是清華大學和二灘水電開發有限責任公司合作，利用二灘公司為建設水電站修建的錦屏山隧道建成的，其垂直岩石覆蓋達2400米，是目前世界上岩石覆蓋最深的地下實驗室。 據介紹，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。地下實驗室為國家提供綜合性的重大基礎科學和應用科學研究平臺，是一個國家關鍵性的重大基礎科學研究設施，建設和發展極深地下實驗室具有重要科學意義和應用價值。 多國已建地下實驗室 目前，美國、英國、法國、義大利、加拿大、日本等許多國家都已經建立起地下實驗室。中國此前一直沒有很好的地下實驗室，特別是極深地下實驗室，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。地下實驗室主要是用來遮罩高能宇宙線對於暗物質、雙貝塔衰變以及中微子實驗的本底影響。評價一個地下實驗室性能的最重要的參數之一就是宇宙線通量水準。 兩所高校研究團隊先後入駐 據瞭解，中國錦屏地下實驗室已經開始進行包括宇宙線通量、中子本底、伽馬本底、氡含量等一系列實驗室參數的測量工作。雖然目前實驗室規模相對較小，但利用其開展前期研究，進行宇宙線通量、環境本底、地質結構等方面的深入研究，將為中國未來在錦屏隧道這一獨特環境建設國家級的大型極深地下實驗室奠定工作基礎。 目前，清華大學實驗組的暗物質探測器已經率先進入錦屏地下實驗室，並啟動探測工作。明年上海交通大學等研究團隊也將進入這裏開展暗物質的探測研究。 我國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2400多米厚的山體岩石。這些平常的隧道，在那些苦苦尋找實驗環境的宇宙學研究者眼裏，卻成了“香餑餑”。 地下實驗室在隧道裏 上海交大2009年2月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。這裏將成為研究所成立後首個實驗的開展地，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。 之所以稱之為最優，據交大物理系主任、粒子物理宇宙學研究所所長季向東介紹，該實驗室利用的是當地建水電站時修的地下隧道，在其側面開挖長40米，寬、高各為6米的空間。因而與國外一些“脫胎”於礦井的地下實驗室相比，使用更為便利，不必坐著電梯上上下下，乘坐汽車就能“入地”。而埋深2400米的隧道，更是難得，因為埋得越深，宇宙射線的干擾就越少。
“地下工作”並無不適
上海交大粒子物理宇宙學研究所特別研究員倪凱旋是暗物質探測國際合作專案XENON的交大組負責人，也是該實驗資料分析組組長。在去年的一年裏，他曾在義大利著名的Gran Sasso實驗室工作。Gran Sasso實驗室建在地下1400米，也是基於地下隧道建造的，在全球的地下實驗室中，空間是最大的。那裏，有十幾個大大小小的實驗同時在進行，有探測暗物質的，也有探測中微子等的。
“從地面上開車大概20分鐘，就能到達地下實驗室。”倪凱旋還記得第一次“入地”的感覺。戴上安全帽、穿著硬底鞋，進入實驗室，入眼是各種儀器設備。“那裏四季恒溫，冬暖夏涼，不需要用空調。唯一與地面實驗室不同的是，那裏沒有窗戶，颳風下雨絲毫感覺不到，進去久了也容易讓人搞不清外界是白天還是黑夜。”
“地下工作”時間久了，人是否會有不適？“地下實驗室的通風設備很好，絲毫不會感到氣悶，人在下面呆個半天，不會有任何異樣的感覺。”倪凱旋說，一旦儀器運行穩定後，他只需在地面上的辦公室監控探測器運行即可，而地下實驗室的所有資料也會傳送至地面，因而，科研人員無需24小時“守”著探測器。
◇地下揭秘
地下隧道實驗室四季恒溫
◇釋疑
何處有大量暗物質 長久以來，最被看好的暗物質僅僅是假說中的基本暗性粒子，它具有壽命長、溫度低、無碰撞的特殊特性。溫度低意味著在脫耦時它們是非相對論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團。壽命長意味著它的壽命必須與現今宇宙年齡相當，甚至更長。 茫茫宇宙中，恒星間相互作用，做著各種各樣的規則的軌道運動，而有些運動我們卻找不著其作用對應的物質。因此，人們設想，在宇宙中也許存在著我們看不見的物質。 現已知道，宇宙的大結構呈泡沫狀，星系聚集成“星系長城”，即泡沫的連接纖維，而纖維之間是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直徑達1~3億光年。如果沒有一種看不見的暗物質的附加引力“幫忙”，這麼大的空洞是不能維持的，就像屋頂和橋樑的跨度過大不能支持一樣。 我們的宇宙儘管在膨脹，但高速運動中的各個星系並不散開，如果僅有可見物質，它們的引力是不足以把各星系維持在一起的。 我們知道，太陽系的品質，99.86%集中在太陽系的中心即太陽上，因此，離太陽近的行星受到太陽的引力，比離太陽遠的行星大，因此，離太陽近的行星繞太陽運行的速度，比離太陽遠的行星快，以便產生更大的離心加速度(離心力)來平衡較大的太陽引力。但在星系中心，雖然也集中了更多的恒星，還有黑洞，可是，離星系中心近的恒星的運動速度，並不比離得遠的恒星的運動速度快。這說明星系的品質並不集中在星系中心，在星系的週邊區域一定有大量暗物質存在。
◇關注
“捉拿”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，它品質很大，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。
◇名詞解釋
不能反射光線，也不能吸收光線 宇宙幽靈暗物質 在宇宙學中，暗物質是指那些不能反射光線，也不能吸收光線的物質。科學家稱之為宇宙中的“幽靈”。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所認知的部分大概只占宇宙的4%，暗物質占了宇宙的23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。 現代意義上的暗物質概念最早是由瑞士天文學家弗裏茲-紮維奇於1933年提出的。當時，紮維奇認為，一個遙遠的星系簇即將分崩離析，但這種分離不是由常規的重力牽引所造成的，而是由不可見宇宙物質所導致的。在紮維奇所描述的這種現象中存在的神秘物質，由於它既不能反射光線，也不能吸收光線，用望遠鏡根本無法觀測到它們，因此被稱為暗物質。自1933年起，科學家們就一直在暗物質是否存在這個問題上爭論不休。
◇相關新聞
美科學家曾宣稱 捕獲暗物質粒子
2009年12月，美國“低溫暗物質搜尋計畫”項目組科學家發表聲明稱，他們在一個廢棄的地下鐵礦中捕獲到暗物質粒子。如果這一發現最終得到證實，它將成為近百年來物理學領域最重要的發現之一。據研究人員介紹，這個地下鐵礦就是美國明尼蘇達州北部的索丹鐵礦，大約位於地面之下800米的位置。在索丹鐵礦的底部，安裝有高敏感探測器，這些探測器都是美國“低溫暗物質搜尋計畫”的實驗裝置。
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