極深地下實驗室

07-10

極深地下實驗室——地球深處的科研殿堂

文/奇雲

在電影《2012》里，印度科學家在距離地面1萬米深的地下實驗室工作，最先發現地球毀滅徵兆。雖然這是部災難片，1萬米深的地下實驗室尚不存在，但許多國家已建有深度上千米的地下實驗室。2010年12月12日，我國首個極深地下實驗室――「中國錦屏地下實驗室」在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用。該實驗室的建成和啟用，標誌著我國已經擁有了世界一流的低輻射研究平台，能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。

中國首個極深地下實驗室投入使用

極深地下實驗室分為兩類，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射線。因此，找到合適的隧道並不是那麼容易。

四川雅礱江錦屏水電站的建設，為建設我國首個極深地下實驗室帶來了契機。雅礱江從巴顏喀拉山南麓一路奔騰而下，經過1500多

千米的遠行，被海拔4000多米高的錦屏山阻擋，急轉南下，在峰巒疊障中形成的錦屏山大河灣，東西兩端直線距離只有17.5千米，但水頭落差竟高達312米，涌動出舉世罕見的巨大能量。為實現水能開發效益最大化、生態保護最完整，水電建設者把大河灣截彎取直，在錦屏山中鑿通四條最大深埋2525米、長近17.5千米、開挖洞徑13.5米的隧洞引水發電。為了方便水電工程建設，在建設水電站的過程中，錦屏山底修建了兩條長17.5千米可以通行汽車的交通隧道，供施工車輛通行。這條隧道上方覆蓋著2400多米厚的山體岩石。2009年5月，清華大學與二灘水電開發有限責任公司簽訂戰略合作協議，決定利用錦屏山隧道垂直岩石覆蓋厚度大，圍岩放射性含量極低，能為相關實驗提供「乾淨」實驗環境的優勢，建設中國首個極深地下實驗室。現在的錦屏地下實驗室，就是利用其中一條隧道，在其側面挖出的一個長40米，寬、高各為6米的空間。

錦屏山是建造極深地下實驗室的「風水寶地」。實驗室所在處的岩石，其天然放射性非常低，一些主要岩石放射性低於地表正常環境的幾十分之一到幾百分之一。在地下實驗室的上面，是2400多米厚的山體岩石。評價一個地下實驗室性能的最重要的參數之一，就是實驗室的宇宙射線通量水平。通常在地面每秒每平方米大約有100多個宇宙射線，海拔高的地方宇宙線會更多一些。該地下實驗室的宇宙線通量，相當於地面宇宙線通量的億分之一甚至更小，比著名的義大利大薩索國家地下實驗室低約100倍。專家們評價：中國錦屏地下實驗室是目前世界上岩石覆蓋最深的地下實驗室，也是世界上最優越的探測暗物質的科研環境，有條件成為世界上最好的超低本底實驗室。

目前，清華大學暗物質實驗組已進駐錦屏地下實驗室，上海交大的暗物質實驗組2010年也將入駐。據了解，兩個暗物質實驗組的探測方式並不相同。清華採用低溫半導體開展暗物質探測，而上海交大將使用液氙探測器直接探測暗物質。

關於暗物質的電腦模擬圖。該圖演示了不可見暗物質是如何在光環中結合的。

中國首個自主暗物質直接探測實驗研究項目——由清華大學等海內外科研機構開展的暗物質探測實驗組，已在該實驗室安放了質量分別為20克和1000克的兩個暗物質探測器，開展暗物質直接探測實驗研究。

工作人員正在中國錦屏地下實驗室進行數據收集

世界各國加緊建設極深地下實驗室

建設極深地下實驗室的主要目的之一，就是進行宇宙暗物質的探測。暗物質幾乎既不發光也不吸收光，不產生電磁輻射，人類的感官和現有的技術手段幾乎無法感知，人們目前只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。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：在整個宇宙物質結構中，暗物質約佔23％，暗能量約佔73％，我們所熟知的物質僅佔4％。

捕捉暗物質卻並沒那麼容易，最大的難題是探測精度的問題。暗物質是一種弱相互作用的物質，它的作用概率很低，目前估計約為10的負46次方，相當於1年發生一到兩次。

怎樣找到暗物質呢？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。直接探測的最大困難是強本底干擾的問題。地球大氣中存在一種能量很高的射線———宇宙線粒子。這種宇宙線粒子能夠穿透很深的地下，是暗物質實驗的重要干擾源。建設地下實驗室，就是儘可能利用厚的山體岩石將宇宙線粒子阻擋，為暗物質實驗提供一個相對「潔凈」的實驗環境。

在直接探測實驗中，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。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。美國、英國、法國、義大利、加拿大、日本等國家，已建立起10多個極深地下實驗室。這些實驗室深度都在幾百米到1000多米。吸納研究課題最多、規模最大的是義大利格朗薩索國家地下實驗室，深度為1400米，總容積18萬立方米。

1966年，美國科學家萊伊?戴維斯為驗證太陽中微子的存在，絞盡腦汁尋找屏蔽宇宙射線的實驗場所，最終他來到南達科他州布萊克山山底深處的一座金礦，在1500米深的廢棄礦井裡開闢出一個實驗室。實驗持續了30年，最終驗證太陽中微子的存在。為了紀念這一成就，這一洞穴便以他的名字命名。憑藉在物理學取得的突出成績，戴維斯及其同事約翰?巴赫恰勒曾共享2002年諾貝爾物理學獎。

東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙基本粒子研究中心日前向媒體公開了該中心位於岐阜縣飛驒市神岡礦山的暗物質檢測設施「XMASS」。「XMASS」是為了能夠直接捕捉到宇宙中的暗物質而建設。它與用於檢查中微子的裝置「超級神岡」一樣，也位於神岡礦山地下1000米深處。「XMASS」設施主要組成部分是一個直徑10米、高10米的圓柱形水箱和一個能裝1噸液氙的檢測器。檢測器是一個裝滿零下100攝氏度液氙的隔熱容器，容器的中央是一個安裝了642根光電倍增管的60面體。檢測器又被整個安置在灌有超純水的水箱中央，水箱內側面同樣設置了許多光電倍增管。暗物質進入「XMASS」內，它們與氙原子核發生彈性碰撞時會損失部分能量，液氙會根據能量大小的不同，發出強弱不等的光，而這些光會被包圍著液氙的光電倍增管所捕捉到。

法國的摩丹地下實驗室位於法國東部，二十世紀八十年代初開始建設，岩石覆蓋厚度約為1600米，地下空間容積約為3500立方米。摩丹實驗室最著名的就是在其中建立的包括13台大質量高純鍺探測器的低本底測量平台，該平台為世界上不同國家和地區的低本底樣品提供了高靈敏度測量服務。法國摩丹實驗室在地下實驗室運行管理、低本底測量等方面都積累了非常豐富的經驗。

人類尋找暗物質的努力進行了幾十年，但從未找到暗物質。當然，在暗物質探測中也曾有過曇花一現的「突破」，有科學家聲稱已經探測到暗物質的信號。但由於未能再現這一結果，無法得到科學界的廣泛認可。對於暗物質的研究，是人類認識客觀世界的重大課題，它影響著人類的生存和發展。例如在上個世紀初期，量子力學、廣義相對論和狹義相對論也是前沿物理科學，它們的研究結果，直接導致了半導體、晶體管、集成電路、光纖、衛星與通訊技術的發展，最終有了現在的計算機與信息社會。他認為，對於暗物質的研究，一旦有所突破，不僅將可能改變人類對於宇宙、天體形成和運動的認識，它還可以衍生和運用到更廣的領域，例如，氣候、能源等諸多世界級生存難題，甚至改變人類對原有的時間和空間的認識，那將是近幾十年以來最為重要的物理學研究成果。其實，很多物理學家和天文學家開始有這樣的預感：今天物理學的情況與19世紀末20世紀初（誕生相對論和量子論）時的情形越發顯得類似。歷史經過百年的輪迴，人類對物質世界的認識又一次處在了十字關口。暗物質問題便是一個關鍵的突破口。揭開暗物質之謎將是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論以及量子力學之後，人類認識自然規律的又一次重大飛躍。在世界各地的地下實驗室里，一場尋找暗物質的科技競賽正在激烈上演。無論是誰，只要揭開暗物質的本質，都將將因此成為諾貝爾獎的不二人選。因此。世界各國競相開展尋找暗物質的科研競賽。

極深地下實驗室的科學解讀

中國錦屏地下實驗室環境達到了10萬級空氣凈化要求，即每一公升空氣裡面含有的大於0.5微米的粉塵少於350個。除利用岩層屏蔽高能量的宇宙射線外，錦屏實驗室本身還有相當複雜的人工屏蔽方法。所有的屏蔽層以及探測裝置自身的材料選擇都非常講究，以儘可能降低自身含有的微量放射性同位素。高純鍺探測器屏蔽最外層是1米厚的聚乙烯，阻擋岩石中的中子射線，中間用20厘米厚的鉛層屏蔽伽瑪光子，裡層用10厘米厚的無氧銅屏蔽，最後才是高純鍺探測器的工作空間――一個裝有約零下180攝氏度的液態氬的容器。高純鍺探測器本身所用的鍺最「純凈」，純度高達99.9999999999%（簡稱12個9），是目前人類可以得到的純度最高的晶體材料。據介紹，經過層層屏蔽後，如果通過高純鍺探測器能夠探測到未知的粒子，可以通過實驗裝置反映在相連的測量裝置上，通過對不同的波形反饋的分析，以獲取未知粒子的各種測量參數，從而可能發現暗物質中的一種。

雖然目前錦屏地下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。據悉，由清華大學領導、四川大學、中國原子能科學研究院、南開大學和二灘水電開發有限責任公司參與的中國暗物質實驗（ChinaDarkmatterEXperiment，CDEX）合作組已將一組探測器安裝在「中國錦屏地下實驗室」中，利用重約10千克的極低能量閾高純鍺陣列探測器開展暗物質直接探測實驗研究，探測質量在1GeV－1000GeV以上較寬質量範圍內的暗物質分布狀態，得到國際先進水平的暗物質探測靈敏度，特別是在10GeV以下暗物質質量空間範圍，得到國際上最好的暗物質探測靈敏度。為我國未來開展「噸」量級大規模暗物質質探測實驗，奠定地下實驗室條件、探測技術、研究隊伍等方面的基礎。通過本項目高純鍺探測器技術的研究，帶動我國高純鍺晶體加工和高純鍺探測器及配套電子學系統研製的自主創新和產業化，推動我國新型半導體材料和先進輻射探測器及電子學技術的創新和發展。錦屏地下實驗室的目標，是建設國際上深度最大，基礎物理、岩體力學、地球物理等多學科綜合交叉的國家級地下實驗室，提供重大國際合作研究平台，為國家重大工程安全建設和運行提供科學支撐，面向國內、國際開放。

由於極深地下實驗室對宇宙線起到了很強的過濾作用，因而它具有低本底的特性，適宜於弱信號的觀測，具有發現新物理的潛力。由於極深地下實驗室對低能宇宙線的屏蔽，因而能夠對高能宇宙線進行更好的測量，進行高於加速器能量的物理研究，與加速器研究起互補的作用。極深地下實驗室不僅可以將粒子物理、天體物理、生命科學、地球科學和工程學等學科研究前沿推向新的高度，還將極大地促進這些學科的相互融合。

極深地下實驗室因其能提供低宇宙線本底和低噪音環境而成為研究基礎物理重大科學前沿問題的理想場所；深地環境的高地應力、高地溫、高滲透壓、強烈工程擾動等極端條件下的深地工程建設與資源開發利用的需求，要求深部岩體力學研究提供科學依據和方法；深地地球物理測量為地震機理與預報提供直接的重要的參數。深地科學涉及領域很廣，包括粒子物理，核天體物理，引力波測量，地球物理，岩體力學，微生物學等多個學科。建設我國自己的深地科學與工程實驗室，開展深地科學實驗和工程技術研究是我國國民經濟發展的迫切需求，並對提升我國在國際科技相關前沿領域的地位具有重大意義。