目前錦屏地下實驗室研究進展如何?
11-28
全球最深的暗物質探測實驗室——中國錦屏地下實驗室,地處四川南部地底深處,在那裡,一批中國科學家正尋找目前還是理論存在的暗物質,希望覓得被科學界稱為「宇宙幽靈」的蛛絲馬跡。
高能中心的師兄還未現身啊,簡單介紹下,等師兄們補充:
1、錦屏一期實驗室(CJPL I)目前正在運行,開展兩個暗物質探測試驗:CDEX和PandaX;
2、錦屏二期工程(CJPL II)已經開始建設,將開挖約100000立方米洞體!
3、將在錦屏地下實驗室開展中微子探測實驗,探測器總的靶物質為4000噸液體閃爍體或水基液體閃爍體,利用錦屏實驗室低放射性,低宇宙線、低反應堆本底的條件,探測太陽中微子和地球中微子,預計可以在5的顯著水平上發現CNO太陽中微子,並精確測定太陽中微子振蕩從真空到物質效應轉換的過渡過程。
Physics Word在2016年2月23日頭條報道了中國錦屏中微子實驗情況:http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/feb/23/worlds-deepest-lab-targets-neutrinos
目前實驗意向書已經發布,見http://arxiv.org/abs/1602.01733v2,不出意外,將會開始建設。
PS:為了對4000噸液閃有直觀概念,可用義大利 Gran Sasso 國家實驗室的Borexino中微子實驗做對比,Borexino探測器靶物質是278噸高純液閃+1000噸純有機溶劑緩衝區+2400噸超高純水,探測器外形如下:
和人的對比
圖片引自Borexino Experiment Official Web Site。
昨天剛看到的新聞:
「我們已接近發現暗物質的邊緣」(組圖)_網易新聞中心
中國「天眼」、世界最大單口徑球面射電望遠鏡反射面單元面板開始拼裝……
世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量解析度最優的「暗物質粒子探測衛星」將於年底在酒泉擇機發射……
近期,一批來自中國的科研計劃不斷聚焦「宇宙幽靈」——暗物質。在尋找暗物質的道路上,中國身影越來越多。
全球最深的暗物質探測實驗室——中國錦屏地下實驗室,地處四川南部地底深處,在那裡,一批中國科學家正尋找目前還是理論存在的暗物質,希望覓得被科學界稱為「宇宙幽靈」的蛛絲馬跡。
清華大學常務副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平教授表示,極深地下實驗室的建設和發展可以為一個國家提供綜合性的重大基礎科學研究平台,是一個國家關鍵性的重大基礎科學研究設施。
新華社記者來到錦屏地下實驗室,帶你了解中國的暗物質研究。據新華社
什麼是暗物質
暗物質在宇宙中所佔的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質,通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量的5%。
普通人對暗物質的直觀認識多來自科幻作品。在電影《變形金剛》中,機器人「禁閉」所駕駛的飛船就是由暗物質驅動進行星際航行的。
在剛剛斬獲世界科幻文壇最高獎的小說《三體》里,暗物質是太陽系遭受高級外星文明攻擊後的隱形殘骸。
很多奇幻創作的科學依據就來自人類久尋不得的「暗物質」。
「暗物質」被科學家比作「籠罩在21世紀物理學天空中的烏雲」,是目前國際科研的最前沿領域之一。
迄今的研究和分析表明,暗物質在宇宙中所佔的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質,通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量的5%。
暗物質涉及宇宙產生和演化的一些最基本問題。
尋找暗物質有幾種方法
在搜尋暗物質的道路上,目前主要有3種方法:一是利用粒子對撞產生暗物質觀察其衰變的產生實驗,主力設備是歐洲核子中心的大型強子對撞機。二是基於暗物質湮滅產生反物質的原理在太空進行的湮滅實驗。三是測量暗物質散射至液體或固體的散射實驗。目前中國錦屏地下實驗室的兩個實驗組均屬第三類。
尋找暗物質有多難
「就好像聽眾坐在第一排聽音樂會,還要聽清30米外一隻蚊子的嗡嗡聲」
中國「千人計劃」專家、上海交通大學鴻文講席教授季向東將暗物質比喻成宇宙中的「幽靈」。季向東說:「暗物質跟普通物質幾乎不相互作用,所以探測它十分困難。」
「與百年之前相對論和量子力學即將誕生時類似,現在人類對物質世界的認識又一次處在了十字路口。毫不誇張說,找到並研究暗物質,將是繼哥白尼日心說、牛頓萬有引力定律、愛因斯坦相對論以及量子力學之後,人們認識宇宙的又一次重大飛躍。」清華大學工程物理系副教授岳騫說。
本世紀以來,國際上相繼開展了20多個暗物質探測實驗,利用各種技術來尋找暗物質。
特別是近幾年來,競爭更為激烈。來自義大利、美國、德國的實驗組先後宣稱發現了疑似輕質量暗物質的信號,這些信號引起了科學界和公眾的強烈興趣。
上海交通大學物理與天文系特別研究員劉江來把暗物質比作宇宙中的「霧霾」,地球則是在「霧霾」中行駛的汽車,「霧霾」中的顆粒撞擊汽車就會發出「響聲」,實驗探測器的任務就是把這種「響聲」記錄下來。
探測實驗的主要困難就是宇宙線以及地球上無處不在的放射性,要盡最大可能排除其對實驗本底的干擾。
用劉江來的話說,就是「去掉『汽車和周邊環境產生的各種聲音。
暗物質的「聲音」有多小?「就好像聽眾坐在第一排聽音樂會,還要聽清30米外一隻蚊子的嗡嗡聲。」劉江來比喻說。
在2.4公里的岩石之下,為全球最深
雅礱江,發源於巴顏喀拉山,之後一路向南,直到碰到海拔4200米的錦屏山不得不改變流向,形成一個U形的大河彎。昔日為修建錦屏水電站,一條交通隧道連接U形大河彎的兩側,中國錦屏地下實驗室——全球最深的暗物質探測實驗室便在這隧道中部,上方是巍巍錦屏山。
一批中國科學家正在那裡尋找暗物質,希望覓得被科學界稱為「宇宙幽靈」的蛛絲馬跡。
實驗室上方2.4公里厚的岩石層可攔截大部分穿透力極強的宇宙射線,使其數量降至地面水平的億分之一。同時地下岩洞構成岩石主要是大理石,不存在多少輻射材料,且遠離會導致錯誤信號的輻射源。所以對「濾聲」而言,這裡的條件得天獨厚。實驗室2010年啟用後,有兩個實驗組進駐,分別是清華大學主導的CDEX實驗和上海交通大學主導的PandaX實驗。
每年3000萬次發光事件,有多少跟暗物質真正有關?專家說:「很可能不到1次。」
乘坐急速電梯下行、穿過層層戒備、瞳孔識別門禁……和記者想像不同,實驗室不像美國大片中慣常的入門橋段,從交通隧道入口乘車10分鐘左右,便到達實驗室入口。但很快,這個世界頂級的地下實驗室便開始展示出它的力量。
記者隨PandaX實驗組進入實驗室,進門後換上防塵衣物,沒走幾步,手機信號隨即徹底消失。實驗室不大,走過十多米的走廊,便可看到各種管道、儀器和扶梯環繞的實驗核心裝置,好似一個層層包裹、白白胖胖的大膠囊。
據了解,PandaX採用液氙技術,即將氙氣製冷至零下100攝氏度,當暗物質跟氙原子發生碰撞時,氙原子就會發光,同時也會產生自由電子。科學家的工作就是想辦法把這些微弱的光和幾個自由電子探測出來,同時確認這些信號不是由其他原因引起的。而之所以選用液氙這種介質,因為與元素周期表中其他元素相比,選用它能增加與暗物質粒子相撞的機會。
為儘可能祛除干擾,除實驗室上方的天然岩石層外,實驗核心裝置外還安裝了由銅、聚乙烯、鉛塊組成的多個屏蔽層,以此將實驗室中的中子、伽馬射線等阻擋在探測器外。
但即使是這樣層層設防,各種與暗物質無關的輻射物還會與探測器中的氙原子核發生每秒成百上千次碰撞,這些干擾信號要靠計算機來篩選。季向東說:「最終值得PandaX實驗裝置記錄的發光事件,大約每秒只有1次,每年就是3000萬次左右。」
那每年3000萬次發光事件,有多少是跟暗物質真正有關?季向東坦言:「很可能不到1次。」
儘管每前進一步都很艱難,但過去五年里,我國在暗物質暗能量研究領域依然取得了跨越式發展。
2014年,CDEX實驗組得到了目前該類探測器在國際上最靈敏的實驗結果,進一步縮小了暗物質可能存在的區域。PandaX實驗組也於同年公布了一期實驗獲得的首批數據,對以往國際上所有發現的疑似輕質量暗物質信號提出了質疑。目前PandaX實驗二期擴建接近完成,核心區液氙規模進一步擴大。
來自美國珀杜大學的物理學家拉斐爾·朗認為,兩個實驗組最近發表的成果,真正使得中國暗物質搜尋努力「走到了國際社會的最前沿」。
季向東表示,隨著靈敏度的提升,中國人有望率先找到理論預言的暗物質粒子。「我們已接近發現暗物質的邊緣,我們想要證明,世界前沿科學之首的問題,由中國人給出答案。」他說。
在季向東手下干過半學期的液氙提純, 然後就沒有然後了。我總覺得這實驗撞大運的成分更高一些。
在場
這名字厲害啊。。
這個都是YY,算是前業內人士。我早期進過那個實驗室。交大的Xe 實驗還是搞不過Xenon,相比就是幼兒園對成年人的感覺。Ge的那個也不看好。純度當時都有問題。謹慎的看科學家對媒體說的話。有些人為了經費是沒有節操的。還有一些文字是被記者硬生生YY錯了。Mean了一點,匿了。
推薦閱讀: