中國錦屏山暗物質探測地下實驗室

2010-8-15 08:45作者：陳學雷前幾天我去參加了四川大學組織的暗物質理論和實驗研討會。會後，我也跟隨部分與會代表一起前往錦屏山參觀了錦屏山地下實驗室，這個實驗室是暗物質直接探測實驗室。自從上世紀30年度Zwicky首次提出暗物質的概念以來，其存在的證據越來越多。但是，這些證據都來自暗物質的引力效應。由於引力是「萬有」的，因此僅僅從引力效應還不能判斷暗物質究竟是什麼。為了回答暗物質究竟是什麼的問題，還需要從其它類型的相互作用中尋找暗物質的蹤跡。另一方面，關於暗物質究竟是什麼，有很多理論上的猜測和模型，而每一種的暗物質性質不同，尋找的方法也不同。不過，就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物質模型是所謂弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP).這種粒子的特點是雖然沒有電磁相互作用和強相互作用，但是參予弱相互作用，同時質量也比較大。WIMP之所以成為暗物質的熱門候選者主要有三個原因：首先是WIMP具有「冷暗物質」的各種性質，而基於冷暗物質的宇宙學模型與觀測符合得比較好。其次，在粒子物理理論中比較容易構造出符合WIMP特點的粒子。例如，流行的超對稱理論就預言可能存在最輕超對稱粒子，這種粒子如果不帶電就很容易符合WIMP的特性。最後，WIMP具有弱相互作用截面，而按照統計物理的粒子退耦理論計算，WIMP的數量也剛好和觀測值同一個數量級。因此，目前大部分暗物質探測實驗是針對WIMP設計的。怎樣找到WIMP呢？其中的一種方法就是「直接」探測實驗。在這種實驗中，人們用一些高度靈敏的、屏蔽的探測器進行探測。一般的粒子無法穿過探測器外面的屏蔽，而暗物質粒子只有弱相互作用，因此可以穿過屏蔽。在多數情況下，當然它也同樣穿過探測器，但是既然暗物質粒子有弱相互作用，它就有一定的幾率與探測器內的原子碰撞。由於WIMP粒子相當重，又以每秒幾百公里的高速度在銀河系的暗物質暈重運動，因此在這一碰撞中，可以傳遞相當多的能量（幾十keV)給被碰的原子，導致原子被電離、激發或產生晶格振動，對於高靈敏度的探測器，這是可以被探測的。碰撞事例的多少取決於暗物質的密度、質量、碰撞截面和探測器工作介質的質量，雜訊主要來自宇宙線和自然放射性產生的中子。因此，為了儘可能減少干擾雜訊，必須把探測器深埋地下，這就是所謂地下實驗室。地下實驗室越深，對宇宙線的屏蔽效果就越好，也就越容易實現高靈敏度。 這一方法自上世紀80年代提出後，經過近30年的研究，現在的探測器靈敏程度已經接近理論模型預言的參數範圍。義大利的DAMA實驗組自十餘年前開始就聲稱探測到暗物質產生的年調製信號，不過這一結果沒有得到其它實驗組的證實。去年底，CDMS實驗組也報告了兩個疑似暗物質事例（參見「暗物質探測的新結果」一文，http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=279596）。也許暗物質的直接探測離我們已經不遠了——當然，也存在著另外的可能，就是暗物質並非WIMP，那麼這種類型的實驗就探測不到。我國以前沒有自己的地下暗物質探測實驗，但參與了兩個國外的地下暗物質探測實驗：高能所參與了義大利的DAMA 實驗，這個實驗利用義大利的Gran Sasso 隧道。清華大學參與了韓國的KIMS實驗，這個實驗利用的是韓國襄陽(Yangyang)水電隧道。目前，國際上的地下實驗室有十幾個，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，另一種是利用隧道。相比礦井而言，隧道在使用上要方便得多，可以直接開車進入。但是，隧道的深度受到山高的限制，對於比較短的隧道而言，還要考慮從山側穿入的宇宙線。因此，找到合適的隧道並不是那麼容易的事。幸運的是，在我國四川西昌地區的錦屏山，有條件極好的隧道。為了利用雅礱江的水能資源，二灘水電公司正在錦屏山附近修建水電站。雅礱江在這裡有一個U字形的大轉彎，長達二百多公里，然而直線距離不過二十多公里。填充U字形中心的是海拔四千多米、相對高差兩千五百多米的錦屏山。為了方便水電工程建設，二灘公司在這裡鑽了兩條長17.5公里的交通隧道，供施工車輛通行，其中一條已經投入使用。這條隧道上方覆蓋著2.5公里厚的岩層，是世界第二深的隧道，而建成了地下實驗室後，可以成為當前世界上最深的地下實驗室，為暗物質直接探測實驗提供非常好的條件。錦屏山還有一個重要優勢，在於地下實驗室所在處不是花崗岩，而是變質岩，其自然放射性相當低，實驗檢測發現其天然放射性比洞外的岩石都低。地下暗物質實驗除了利用岩層屏蔽高能量的宇宙線外，本身還需要相當複雜的人工屏蔽以消除自然界放射性的影響。以錦屏山的清華實驗(CDEX)為例，牆壁有塗層以盡量阻斷岩體釋放氡氣，探測器屏蔽最外層用1米厚的聚乙烯層慢化岩石中同位素放射性產生的中子，中間用20厘米的鉛層屏蔽伽瑪光子，裡層用15厘米的無氧銅屏蔽。在這些被動屏蔽層的裡面，還有主動屏蔽層，探測穿越了上述幾層屏蔽以及屏蔽層自身內微量同位素放射產生的粒子，從而否決(veto)由這些輻射產生的事件。所有這些屏蔽層以及探測裝置自身的材料選擇都非常講究，以儘可能降低屏蔽材料和探測器中自身含有的微量放射性同位素。高純鍺探測器本身所用的鍺純度達13個9，以降低其自身放射性。儘管我自己並不從事WIMP直接探測的實驗工作（我在暗物質方面的研究主要是間接探測和天體物理限制，也就是利用暗物質粒子湮滅、衰變和相互作用在天體物理過程中的各種效應去探測它），但我一直認為，這種實驗投資較少而科學意義重大，是非常適合中國當前情況的實驗，因此在歷次有關的討論中，對於在國內建設地下實驗室，開展WIMP直接探測實驗，我都持積極支持的態度。當然，要開展這項研究，也必須有相關的人才、技術，還要找到合適的實驗場地，所謂天時、地利、人和，各方面的要素都是需要的，而現實中這些因素往往並不同時具備。問題是我們是積極去尋找、創造這方面的條件，還是消極等待？清華大學從事暗物質探測研究的同事們積極行動，花費了許多時間與二灘公司聯繫、溝通，獲得了他們的理解和支持。在二灘公司的支持下，目前已經建成了一塊實驗空間，其中裡面的部分用來安裝清華大學的高純鍺探測器，而稍稍在外面的一段空間則用來安裝上海交通大學的液氙探測器。我國本土的暗物質直接探測，終於邁出了第一步。這件事情在兩年前進行論證時好象還遙不可及，甚至不清楚到底能否搞起來，然而現在地下實驗室已經開始了屏蔽層的安裝工作，進展之迅速，令人目不暇接。這次我懷著非常激動的心情，隨川大和清華的同事們一起，去錦屏山參觀了建設中的地下實驗室。置身期間，覺得實驗空間相當充足，與在圖紙上看的感覺頗有不同。另一方面，西昌特別是錦屏山風景秀美、交通方便，生活條件也相當不錯。錦屏山水電站規模宏大、氣象萬千，建成後提供將大量的清潔能源，也讓人過目難忘。祝願從事暗物質直接探測的同事們早日取得成功！

雅礱江和錦屏山

地下實驗室

錦屏山風景

電站水壩模型。壩高305米，建成後將成為世界最高的水壩
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