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深入地下2400米的實驗室能干啥
發布時間：2019-09-10
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雅礱江，金沙江最大的支流，發源于青海省境內的巴顏喀拉山南麓，自西北向東南逶迤而來，當雅礱江奔流至四川省涼山州境內時，洶涌的雅礱江被巍峨的錦屏山截住了去向，江流被迫轉彎，形成了150公里壯美的大河灣。目前世界最深的地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”，就隱藏在雅礱江邊錦屏山2400米的地下。目前該實驗室已進入二期建設。
這座世界最深的地下實驗室主要進行的前沿物理實驗有哪些？即將開展的暗物質直接探測、無中微子雙貝塔衰變實驗和核天體物理等前沿實驗將如何進行？日前科技日報記者采訪了相關專家。
探尋暗物質“影子”
清華大學工程物理系教授岳騫說，暗物質是既不發射光、也不吸收和反射光的物質，占宇宙物質總質量的80%—90%。國際上的暗物質探測研究主要有直接探測、間接探測、加速器產生等3種研究方法，其中暗物質直接探測實驗是最直接準確的暗物質探測研究手段。
在暗物質直接探測中，國際上總體分為兩大類實驗：第一類是針對10千兆電子伏特以上重質量暗物質的實驗，其代表是基于惰性元素氙或氬的氣液二相直接探測實驗，比如美國的LZ、歐洲的XENON、上海交通大學牽頭的PandaX液氙實驗組，以及美國的DarkSide液氬暗物質實驗組。該類實驗最大特點是探測器單體質量大（已經達到數噸級，未來計劃達數十噸）、本底水平低、對重暗物質有極佳的探測靈敏度。第二類是針對10千兆電子伏特以下輕質量暗物質直接探測的實驗。其中的代表是超低溫量能器實驗以及點電極高純鍺實驗，超低溫量能器實驗的典型案例是由美國領導的基于極低溫鍺量能技術的SuperCDMS實驗，以及由歐洲主導的基于極低溫CaWO4量能技術的CRESST實驗；點電極高純鍺實驗的典型案例是由清華大學領導的基于陣列式點電極高純鍺探測器技術的CDEX實驗。
岳騫說，在錦屏地下實驗室，清華大學牽頭的CDEX實驗合作組將在容積約為1700立方米的大型液氮恒溫器中，利用極低能量閾值的高純鍺探測器開展10千兆電子伏特以下的輕暗物質粒子的直接探測研究。暗物質粒子與探測器中的鍺原子核發生“碰撞”，探測器會記錄反沖鍺原子核的能量，經過長達幾個月到幾年的實驗數據積累，我們可以獲得暗物質粒子在高純鍺探測器中的能譜，從而尋找暗物質粒子乃至研究其性質。
同時，上海交通大學牽頭的PandaX實驗合作組將在容積約為4500立方米的純凈水池中，利用氣液兩相氙探測器開展10千兆電子伏特以上的重暗物質粒子的直接探測研究。
確定中微子質量排序
原子核中兩個中子變成兩個質子的衰變叫雙貝塔衰變。雙貝塔衰變過程發射兩個貝塔粒子的同時會伴隨兩個中微子的產生，這已被實驗證實。而無中微子雙貝塔衰變是指不伴隨發射中微子的雙貝塔衰變過程，可以通過尋找該過程對中微子是否為自身的反粒子做出判斷，并對三種中微子質量排序。
清華大學工程物理系副教授馬豪說，無中微子雙貝塔衰變實驗主要包括基于鍺-76的高純鍺實驗，如歐洲的GERDA、美國的Majorana和清華大學牽頭的CDEX實驗；基于氙-136的液氙或氣氙實驗，如歐洲的NEXT、美國的nEXO和上海交通大學牽頭的PandaX實驗；以及基于碲-130的極低溫實驗。
“目前國際競爭非常激烈，未來五到十年是發展大型無中微子雙貝塔衰變實驗裝置，開展研究確定中微子質量排序的關鍵期。”馬豪說，GERDA、Majorana和我國的CDEX等已經合作成立了面向未來噸級高純鍺雙貝塔衰變實驗的LEGEND合作組，開展高純鍺探測器技術以及鍺材料同位素純化工作，推動下一步的大規模國際合作。目前在國際上，加拿大斯諾實驗室和我國錦屏地下實驗室的巖石覆蓋深度能夠更好滿足LEGEND實驗的宇宙射線本底需求，這一大型國際前沿研究項目有望落戶錦屏。此外，上海交通大學與國內外的科學家聯合開展高壓氣氙測量雙貝塔衰變實驗的關鍵技術預研；復旦大學研究組計劃采用基于鉬-100同位素的鉬酸鋰探測器開展研究；華中師范大學研究團隊計劃采用基于硒-82同位素的氣體六氟化硒時間投影室探測器開展研究。
同時，該地下實驗室還將在核天體物理科研領域發揮作用。
“核天體物理是核物理與天體物理融合形成的交叉學科，主要研究宇宙中各種化學元素的起源以及核過程如何控制恒星的演化及結局。”馬豪說，在國外，意大利格蘭薩索地下實驗室的LUNA實驗組，利用靜電加速器在實驗室中再現星體內部發生的反應，在質子-質子鏈式反應和碳氮氧循環中的關鍵反應截面測量方面成果顯著。英國Boulby地下實驗室提出了建設3兆電子伏特靜電加速器的ELENA計劃；西班牙LSC地下實驗室提出了CUNA核天體物理計劃。在國內，中國原子能科學研究院牽頭的JUNA實驗組，計劃在錦屏地下實驗室二期中重現并研究恒星演化中的核過程和宇宙中如何合成較重的化學元素，實驗室本底水平和加速器裝置參數均優于LUNA實驗，能夠開展LUNA無法完成的核天體物理中一系列重要反應的直接測量工作，并將測量能量范圍推進到天體物理感興趣能區，預期獲得更好的測量精度。
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