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中国锦屏地下实验室:捕捉最微弱的光线

【晒晒咱的国之重器23】

光明日报记者 邓晖

这里是垂直岩石覆盖厚度达2400米的“极深地下”!

这里是世界上最“黑”的房子!

在这个深藏于四川凉山彝族自治州,锦屏山交通隧道中部地下的“黑”房子里,伴随着原子核信号放大后的微微闪光,科研人员在不间断运行的仪器旁凝神寻找、捕捉。

这里,就是中国锦屏地下实验室。

科研人员每时每刻的工作就是“找东西”。他们在找什么?

找宇宙中最“弱”的光——暗物质,一种一直没有被“看见”,却在物质起源和宇宙演化过程中具有重要地位的物质。

如果把宇宙全貌比作一片海洋,到目前为止,人类碍于有限的理解和观察手段,还只是在探索这片“海洋”的一小部分。天文学的众多观测数据表明,暗物质约占整个宇宙物质质量的85%。但,它看不见、摸不着,几乎不和任何物体发生作用。

为了捕捉到这神秘又“腼腆”的暗物质,21世纪以来,国际上相继开展了20多个探测实验。人们相信:谁先揭开它的面纱,谁就将促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。

当前,暗物质探测方法大体分为“上天”“入地”和“人造暗物质”三类:“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。

中国锦屏地下实验室开展的研究就属于“入地”。

在这里,2400米的岩石隧道就像一个暗室,牢牢地把宇宙射线的噪声挡住。与国际上其他地下实验室相比,这里岩石覆盖最深,宇宙线通量最小,可用空间最大,并且具备交通便捷、电力及水源充足的优势。

2010年12月12日,“中国锦屏地下实验室”揭牌并投入使用,标志着中国拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台。随后,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入驻。

“类似于‘等暗物质自投罗网’。”清华大学工程物理系教授、CDEX暗物质实验负责人岳骞介绍,在这个极度安静的实验室里,两支团队所放置的探测器中的靶粒子会和暗物质“相撞”,并从它们身上得到一点能量,而这个能量可以变成电离信号也可以变成热振动信号,或是闪烁光信号。科学家们可以把暗物质粒子和普通物质相互作用后的各种参数都记录下来,从中统计规律,再利用这些蛛丝马迹一点点拼凑出暗物质的信息。

事实上,暗物质和普通物质相撞的概率极低。科学家们可不是守株待兔。

4000立方米的实验室一期里,每一个实验环节的精心设计,每一位科研人员的分秒必争,都向着两个目标奔赴——增效,千方百计提升暗物质的碰撞信号;降本,绞尽脑汁屏蔽背景的干扰信号。

成果接二连三。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,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。近两年,虽然在中国锦屏地下实验室的国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”还在紧锣密鼓的建设过程中,但两个实验组持续取得新突破,在暗物质年度调制、暗光子、轴子等不同暗物质模型下给出了一系列国际先进成果,保持国际“并跑”。

眼下,正在建设的二期实验空间将增加到30万立方米。更多科研团队正摩拳擦掌,等待进入扩建后的这个极深地下实验空间。

暗黑世界,只为那一眼“看见”!在这条路上,每一点执着坚持后的发现都将使人类对物质世界的认识更进一步,也必将在科学史上镌刻下属于中国科学家的一笔。

《光明日报》( 2022年04月12日01版)

来源: 光明网-《光明日报》

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