中国首个极深地下实验室投用 已展开暗物质研究

顾汉现

中国首个极深地下实验室投用 已展开暗物质研究


2010年12月13日 08:35　





科技日报西昌10-12月12日电 (记者赵凤华)今天，中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”投入使用仪式在四川雅砻江锦屏水电站举行。专家称，该实验室的建成，标志着我国已经具备开展物理学重大基础前沿科学研究的自主地下实验平台。

　　“中国锦屏地下实验室”是清华大学和二滩水电开发公司合作，利用二滩公司为建设水电站修建的锦屏山隧道建成的，其垂直岩石覆盖达2400米，是目前国际上岩石覆盖最深的地下实验室。

　　专家介绍，地下实验室尤其是极深地下实验室，是开展粒子物理与核物理学、天体物理学及宇宙学等领域的暗物质探测研究、中微子物理实验研究等一些重大基础性前沿课题的重要研究场所，是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境，也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。

　　据悉，由清华大学领导，四川大学、中国原子能科学研究院、南开大学和二滩水电开发公司参与的中国暗物质实验合作组已将一组探测器安装在“中国锦屏地下实验室”中开展暗物质实验研究工作。合作组采用国际上纯度最高的锗晶体材料制成的高纯锗探测器进行暗物质探测实验研究，目前已启动10kg高纯锗阵列探测器开展暗物质实验研究计划，预计明年会得到首个暗物质研究成果。

　　据介绍，我国一直没有很好的地下实验室，特别是极深地下实验室，许多相关领域的研究工作无法开展或只能与国外有条件的实验室联合开展。因此，建设世界领先水平的极深地下实验室对于推动我国重大基础前沿课题的自主研究和应用研究意义重大。

　　2009年5月，清华大学与二滩公司签订战略合作协议，决定利用锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度国际最大，能够将宇宙线通量降到地面水平的千万分之一至亿分之一，为相关实验提供“干净”的实验环境的优势，建设我国首个极深地下实验室。

　　国务院国资委副主任邵宁、国家自然科学基金委副主任沈文庆院士为“中国锦屏地下实验室”揭牌。

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中国首个极深地下实验室投用 已展开暗物质研究2

图为“中国锦屏地下实验室”中用于暗物质探测的超低能量阀高纯锗探测器。杨杰 摄:




关于暗物质的电脑模拟图。该图演示了不可见暗物质是如何在光环中结合的：

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中国首个极深地下实验室在四川投入使用
是目前世界岩石覆盖最深的实验室；将开展暗物质的探测研究


10-12月12日，垂直岩石覆盖达2500米的世界最深、中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用。中国首个自主暗物质直接探测实验研究项目——由清华大学等海内外科研机构开展的CDEX实验组，已在该实验室安放了质量分别为20g和1000g的两个暗物质探测器，开展暗物质直接探测实验研究。


中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。目前，清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室，并启动探测工作，而明年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。

在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。

地下实验室在隧道里

在建设二滩水电站过程中，四川锦屏山底曾修建了18公里可以通行汽车的隧道，上面是2500多米厚的山体岩石。这里将成为研究所成立后首个实验的开展地，专门“搜捕”暗物质。目前这里是世界上最优越的探测暗物质的环境。

之所以称之为最优，据交大物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东介绍，该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道，在其侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比，使用更为便利，不必坐着电梯上上下下，乘坐汽车就能“入地”。而埋深2500米的隧道，更是难得，因为埋得越深，宇宙射线的干扰就越少。

“地下工作”并无不适

“从地面上开车大概20分钟，就能到达地下实验室。”交大粒子物理宇宙学研究所特别研究员倪凯旋还记得第一次“入地”的感觉。戴上安全帽、穿着硬底鞋，进入实验室，入眼是各种仪器设备。“那里四季恒温，冬暖夏凉，不需要用空调。唯一与地面实验室不同的是，那里没有窗户，刮风下雨丝毫感觉不到，进去久了也容易让人搞不清外界是白天还是黑夜。”

“地下工作”时间久了，人是否会有不适？“地下实验室的通风设备很好，丝毫不会感到气闷，人在下面呆个半天，不会有任何异样的感觉。”倪凯旋说，一旦仪器运行稳定后，他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可，而地下实验室的所有数据也会传送至地面，因而，科研人员无需24小时“守”着探测器。

“捉拿”暗物质很不易

让不少人难以理解的是，暗物质在宇宙中，科学家为啥要“钻”到地下去探测呢？这是因为暗物质是种颇有“个性”的粒子，它质量很大，但作用力却微乎其微。

“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体，但你却感受不到，这是因为暗物质的散射截面很小。”倪凯旋打了一个比方，就像一只足球能被球网挡住，但是一个小铁球就能穿网而过，就是因为它的截面比球网的网格小。

如何“网”住暗物质？科学家们也想了很多办法。

最初的办法是天文观测法，但是，却无法解答“暗物质是什么”。后来，人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞，探测碰撞产生的信号。而在地面上，因为宇宙射线众多，这些信号会对直接探测产生干扰，影响其鉴别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰，让其“静心”工作。(CCTV)

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多国天文学家办GREAT10挑战赛 搜寻暗物质存在证据


发布时间：2010-12-12 11:09:32


多国天文学家办GREAT10挑战赛 搜寻暗物质存在证据





在这幅由“哈勃”太空望远镜拍摄的图像中，光线在巨型星系团Abell 2218的周围发生弯曲。

北京时间12月11日消息，据国外媒体报道，宇宙学家希望游戏爱好者、程序员、计算机科学家和各行各业奇才们来帮助他们确定暗物质存在的证据。一个由多国天文学家组成的国际研究小组近日举办了一项名为“GREAT10”挑战赛（引力透镜准确性试验挑战赛），邀请广大天文爱好者和计算机天才来共同探索一种能够更好地分析星系扭曲图像的方式，旨在发现潜伏于宇宙中的不可见暗物质的证据。

宇宙中大块的物质块实际上可以起到一种巨型透镜的作用，可以在最临近的区域内扭曲时空。穿过物质块的光线往往会被扭曲变形，这种现象被称为“引力透镜”效应。有些时候，这种扭曲是非常明显的，比如美国宇航局“哈勃”太空望远镜所拍摄的一些遥远星系族的图像，都可能存在扭曲现象。

但是，有时这种扭曲太过微妙，以致于人类肉眼根本识别不出来。此外，天文学家们在利用望远镜拍摄星系图像时，也常常会受到望远镜噪音的影响。因此，宇宙学家们转而希望有人能够利用机器学习算法“教会”计算机来识别模式。挑战赛组织者之一、美国宇航局宇宙学家贾森-劳德斯表示，“在星系形状图像受到各种各样噪音影响的情况下，我们正在努力教计算机挑出其中最正确的图像。”

挑战赛组织者希望，机器学习领域和计算机科学领域的专家和天才们能够带来最新的思想。不过，挑战赛并不仅仅局限于上述专家们，任何人都可以参与。挑战赛组织者之一、英国爱丁堡大学天体物理学家托马斯-基特青表示，“应用于游戏和数码相机中的图像处理软件和技术都非常相似。任何在图像处理和软件研发领域中有经验的人都可以参与挑战赛。”

劳德斯认为，“GREAT10”挑战赛与其他的民间科学工程挑战赛相似。不过，“GREAT10”挑战赛获奖者除了得到物质奖品外，他们或许还能够帮助科学家解答天文学中最奥妙也是最基本的一个谜团：宇宙究竟是由什么组成的？最终，挑战赛中研发的计算机程序将被用于揭开暗物质和暗能量的神秘面纱。

通过研究轻微扭曲的星系，科学家们或许能够绘制出宇宙中暗物质的详细地图。暗物质被认为是占据宇宙24%的不可见填充物。知道了暗物质在哪里以及如何变化将能够帮助天文学家更好地解密暗能量。暗能量又是一种更加神秘的事物，它构成了宇宙的72%。

劳德斯表示，“最令人兴奋的是，我们将采用一种多学科综合方法去解决所有科学中最压抑的问题之一。最终目标就是发展出一种关于宇宙的组成以及宇宙最终命运的研究方法。即使你没有终生研究宇宙学，但你同样也可以通过‘GREAT10’挑战赛做出真正的贡献。” (作者：彬彬 来源：新浪科技)