中国锦屏极深地下暗物质实验室

中国锦屏地下实验室北京师范大学联合实验室

 
中国锦屏地下实验室北京师范大学联合实验室(CJPL–BNU)依托于北京师范大学核科学与技术学院、射线束技术教育部重点实验室成立,主要研究方向包括两部分:
1、CJPL–BNU牵头:在CJPL–Ⅱ开展低本底活体内照射微量放射性核素含量分布研究及系统搭建。
2、国际合作组分工:
(1)中国暗物质实验CDEX:稀有事例探测电子学基板研发、低能区HPGe探测器淬灭因子实验研究;
(2)中国基于Bolometers的稀有事件观测ονββ实验CUPID–CHINA:低噪声电子学系统研究;
(3)美国国家科学基金会国际研究和教育项目NSF-PIRE。
 
 
关于中国锦屏地下实验室(CJPL)
2010年,中国锦屏地下实验室一期(CJPL–Ⅰ)在距锦屏山隧道口8.75Km处中间区建成,其垂直岩石覆盖层厚度高达2.4Km,CJPL–Ⅰ主实验厅尺寸为6.5m×6.5m×40m,主要开展三部分实验研究:
1、CDEX实验:高纯锗探测器HPGe直接探测暗物质;
2、PandaX实验:液氙探测器探测暗物质;
3、THU–LBF实验:高纯锗探测器HPGe探测环境辐射本底。
2017年,中国锦屏地下实验室二期(CJPL–Ⅱ)竣工,CJPL–Ⅱ主实验厅尺寸扩大至14m×14m×65m的8个通用型实验空间组成。实验包括:CJPL–Ⅰ升级、CJPL–BNU、核天体物理等。

中国锦屏极深地下暗物质实验室

图片[2]-中国锦屏极深地下暗物质实验室 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)

中国锦屏极深地下暗物质实验室,简称:中国锦屏地下实验室(CJPL),是位于中国四川雅砻江锦屏的中国首个用于开展暗物质探测等国际前沿基础研究课题的极深地下实验室。于2010年12月12日正式投入使用。

中文名
中国锦屏地下实验室
地理位置
占地面积
4000立方米
投用时间
2010年12月12日
类型
地下实验室
地位

1组成结构

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“中国锦屏地下实验室”利用为水电站修建的锦屏山隧道建成。其垂直岩石覆盖达2400米,是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室。与其相比,位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下试验室就像个游戏室。在川藏群山下,粒子物理学家最头痛的宇宙线的强度仅为格兰萨索山区的1/200,为实验提供了“干净”的环境。
连接设锦屏一级、锦屏二级水电站的17.6公里交通洞,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。
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,埋深2500米的隧道,因为埋得越深,宇宙射线的干扰就越少。
地下实验室是粒子物理和天体物理学等领域的暗物质探测研究中微子实验等重大基础性前沿课题的重要研究场所。实验室采用的高纯锗探测器,不但需要尖端技术还需大量资金投入。

2技术原理

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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暗能量
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,地下实验室的建成可帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。
因为暗物质在宇宙中是一种颇有“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。”专家为此打比方说,这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,这是因为它的截面比球网的网格要小。

3探测方法

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“从地面上开车大概20分钟,就能到达地下实验室。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。
清华大学、上海交大两个实验组已入驻地下实验室,清华大学的暗物质探测器已经率先进入实验室并启动探测工作,而2011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。两个实验组的探测方式并不相同,上海交大将使用液氙探测器在此开展暗物质的直接探测,清华将采用低温半导体开展探测。在这个过程中,每一个科学发现都将使人们对物质世界的认识更进一步。龚敏说,四川大学将与清华大学协作,加入暗物质研究课题。

4选址原因

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选址锦屏山隧道是因为锦屏山拥有垂直岩石覆盖最大的地理优势,该实验室是从隧道的侧面开挖出来的,长40米长,宽、高各为6米,深埋在地下,实际位于水平地面上。实验室各种仪器设备探测器、通风设备等都很好,地下实验室的所有数据都传送至地面。

5研发进展

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据资料显示,美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等许多国家都已经建立起地下实验室。早在2009年,美国也在南达科塔州的黑山建立了一个深度约为2438米的地下实验室。日本也在2010年10月在位于岐阜县飞鳍市神冈矿山地下,建设了XMASS地下实验室。英国一个深达350米的地下实验室也于2010年4月份启动使用。其目的都在于希望能够成为在世界上最早发现暗物质的国家。
专家表示,粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘。就像电被发明时,人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何,每一个科学发现都使人们对物质世界的认识更进一步。

6最新消息

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2014年8月1日,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司在成都签署共同建设“中国锦屏地下实验室”二期工程的合作协议,正式决定启动中国锦屏地下实验室包括4组共8个实验室及其辅助设施的二期建设再次令世界瞩目。[1]
中国暗物质实验合作组于2010年起在中国锦屏地下实验室开展暗物质直接探测研究,目前已经进行到了第二阶段CDEX-10实验,中国暗物质实验合作组利用一种国际首创的高纯锗探测系统,在一定范围内将暗物质直接探测灵敏度提高到目前国际最高水平。相关研究成果已在线发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》。这项实验成果是CDEX-10实验的第一个物理成果。
长期从事暗物质理论研究的中国科学院理论物理研究所研究员周宇峰认为,此次中国暗物质实验合作组(CDEX)利用独特的高纯锗探测系统在4-5个千兆电子伏特能量范围内给出暗物质自旋无关散射截面的最新上限,这是当前正式发表的该能区世界最好结果。
论文通讯作者、清华大学工程物理系教授岳骞介绍,高纯锗是一种纯度非常高的半导体材料,国际上若干实验组把高纯锗晶体作为靶材料和探测器进行暗物质直接探测实验。[2]
2019年7月24日,正式启动国家重大科技基础设施项目的建设,该项目将为暗物质等基础前沿重大深地科学实验提供国际最好的平台支撑。

参考资料:

1.

我国2400米深实验室扩容 提高暗物质探测灵敏度

腾讯网 [引用日期2014-08-02]

2.

中国科研团队创暗物质探测灵敏度国际最高水平

新华网 [引用日期2018-06-19]

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