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深入地下2400米的实验室能干啥

来源:科技日报2019-09-02 09:25

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  雅砻江,金沙江最大的支流,发源于青海省境内的巴颜喀拉山南麓,自西北向东南逶迤而来,当雅砻江奔流至四川省凉山州境内时,汹涌的雅砻江被巍峨的锦屏山截住了去向,江流被迫转弯,形成了150公里壮美的大河湾。目前世界最深的地下实验室——“中国锦屏地下实验室”,就隐藏在雅砻江边锦屏山2400米的地下。目前该实验室已进入二期建设。

  这座世界最深的地下实验室主要进行的前沿物理实验有哪些?即将开展的暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变实验和核天体物理等前沿实验将如何进行?日前科技日报记者采访了相关专家。

  探寻暗物质“影子”

  清华大学工程物理系教授岳骞说,暗物质是既不发射光、也不吸收和反射光的物质,占宇宙物质总质量的80%—90%。国际上的暗物质探测研究主要有直接探测、间接探测、加速器产生等3种研究方法,其中暗物质直接探测实验是最直接准确的暗物质探测研究手段。

  在暗物质直接探测中,国际上总体分为两大类实验:第一类是针对10千兆电子伏特以上重质量暗物质的实验,其代表是基于惰性元素氙或氩的气液二相直接探测实验,比如美国的LZ、欧洲的XENON、上海交通大学牵头的PandaX液氙实验组,以及美国的DarkSide液氩暗物质实验组。该类实验最大特点是探测器单体质量大(已经达到数吨级,未来计划达数十吨)、本底水平低、对重暗物质有极佳的探测灵敏度。第二类是针对10千兆电子伏特以下轻质量暗物质直接探测的实验。其中的代表是超低温量能器实验以及点电极高纯锗实验,超低温量能器实验的典型案例是由美国领导的基于极低温锗量能技术的SuperCDMS实验,以及由欧洲主导的基于极低温CaWO4量能技术的CRESST实验;点电极高纯锗实验的典型案例是由清华大学领导的基于阵列式点电极高纯锗探测器技术的CDEX实验。

  岳骞说,在锦屏地下实验室,清华大学牵头的CDEX实验合作组将在容积约为1700立方米的大型液氮恒温器中,利用极低能量阈值的高纯锗探测器开展10千兆电子伏特以下的轻暗物质粒子的直接探测研究。暗物质粒子与探测器中的锗原子核发生“碰撞”,探测器会记录反冲锗原子核的能量,经过长达几个月到几年的实验数据积累,我们可以获得暗物质粒子在高纯锗探测器中的能谱,从而寻找暗物质粒子乃至研究其性质。

  同时,上海交通大学牵头的PandaX实验合作组将在容积约为4500立方米的纯净水池中,利用气液两相氙探测器开展10千兆电子伏特以上的重暗物质粒子的直接探测研究。

  确定中微子质量排序

  原子核中两个中子变成两个质子的衰变叫双贝塔衰变。双贝塔衰变过程发射两个贝塔粒子的同时会伴随两个中微子的产生,这已被实验证实。而无中微子双贝塔衰变是指不伴随发射中微子的双贝塔衰变过程,可以通过寻找该过程对中微子是否为自身的反粒子做出判断,并对三种中微子质量排序。

  清华大学工程物理系副教授马豪说,无中微子双贝塔衰变实验主要包括基于锗-76的高纯锗实验,如欧洲的GERDA、美国的Majorana和清华大学牵头的CDEX实验;基于氙-136的液氙或气氙实验,如欧洲的NEXT、美国的nEXO和上海交通大学牵头的PandaX实验;以及基于碲-130的极低温实验。

  “目前国际竞争非常激烈,未来五到十年是发展大型无中微子双贝塔衰变实验装置,开展研究确定中微子质量排序的关键期。”马豪说,GERDA、Majorana和我国的CDEX等已经合作成立了面向未来吨级高纯锗双贝塔衰变实验的LEGEND合作组,开展高纯锗探测器技术以及锗材料同位素纯化工作,推动下一步的大规模国际合作。目前在国际上,加拿大斯诺实验室和我国锦屏地下实验室的岩石覆盖深度能够更好满足LEGEND实验的宇宙射线本底需求,这一大型国际前沿研究项目有望落户锦屏。此外,上海交通大学与国内外的科学家联合开展高压气氙测量双贝塔衰变实验的关键技术预研;复旦大学研究组计划采用基于钼-100同位素的钼酸锂探测器开展研究;华中师范大学研究团队计划采用基于硒-82同位素的气体六氟化硒时间投影室探测器开展研究。

  同时,该地下实验室还将在核天体物理科研领域发挥作用。

  “核天体物理是核物理与天体物理融合形成的交叉学科,主要研究宇宙中各种化学元素的起源以及核过程如何控制恒星的演化及结局。”马豪说,在国外,意大利格兰萨索地下实验室的LUNA实验组,利用静电加速器在实验室中再现星体内部发生的反应,在质子-质子链式反应和碳氮氧循环中的关键反应截面测量方面成果显著。英国Boulby地下实验室提出了建设3兆电子伏特静电加速器的ELENA计划;西班牙LSC地下实验室提出了CUNA核天体物理计划。在国内,中国原子能科学研究院牵头的JUNA实验组,计划在锦屏地下实验室二期中重现并研究恒星演化中的核过程和宇宙中如何合成较重的化学元素,实验室本底水平和加速器装置参数均优于LUNA实验,能够开展LUNA无法完成的核天体物理中一系列重要反应的直接测量工作,并将测量能量范围推进到天体物理感兴趣能区,预期获得更好的测量精度。(记者 盛 利)

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