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中国锦屏山暗物质探测地下实验室

2011.03.29


2010-8-15 08:45 
作者:陈学雷
前几天我去参加了四川大学组织的暗物质理论和实验研讨会。会后,我也跟随部分与会代表一起前往锦屏山参观了锦屏山地下实验室,这个实验室是暗物质直接探测实验室。 

自从上世纪30年度Zwicky首次提出暗物质的概念以来,其存在的证据越来越多。但是,这些证据都来自暗物质的引力效应。由于引力是“万有”的,因此仅仅从引力效应还不能判断暗物质究竟是什么。为了回答暗物质究竟是什么的问题,还需要从其它类型的相互作用中寻找暗物质的踪迹。另一方面,关于暗物质究竟是什么,有很多理论上的猜测和模型,而每一种的暗物质性质不同,寻找的方法也不同。不过,就目前而言,被研究得最多也是最被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP).这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用,但是参予弱相互作用,同时质量也比较大。WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有三个原因:首先是WIMP具有“冷暗物质”的各种性质,而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次,在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如,流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子,这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。最后,WIMP具有弱相互作用截面,而按照统计物理的粒子退耦理论计算,WIMP的数量也刚好和观测值同一个数量级。因此,目前大部分暗物质探测实验是针对WIMP设计的。

怎样找到WIMP呢?其中的一种方法就是“直接”探测实验。在这种实验中,人们用一些高度灵敏的、屏蔽的探测器进行探测。一般的粒子无法穿过探测器外面的屏蔽,而暗物质粒子只有弱相互作用,因此可以穿过屏蔽。在多数情况下,当然它也同样穿过探测器,但是既然暗物质粒子有弱相互作用,它就有一定的几率与探测器内的原子碰撞。由于WIMP粒子相当重,又以每秒几百公里的高速度在银河系的暗物质晕重运动,因此在这一碰撞中,可以传递相当多的能量(几十keV)给被碰的原子,导致原子被电离、激发或产生晶格振动,对于高灵敏度的探测器,这是可以被探测的。碰撞事例的多少取决于暗物质的密度、质量、碰撞截面和探测器工作介质的质量,噪声主要来自宇宙线和自然放射性产生的中子。因此,为了尽可能减少干扰噪声,必须把探测器深埋地下,这就是所谓地下实验室。地下实验室越深,对宇宙线的屏蔽效果就越好,也就越容易实现高灵敏度。 这一方法自上世纪80年代提出后,经过近30年的研究,现在的探测器灵敏程度已经接近理论模型预言的参数范围。意大利的DAMA实验组自十余年前开始就声称探测到暗物质产生的年调制信号,不过这一结果没有得到其它实验组的证实。去年底,CDMS实验组也报告了两个疑似暗物质事例(参见“暗物质探测的新结果”一文,http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=279596)。也许暗物质的直接探测离我们已经不远了——当然,也存在着另外的可能,就是暗物质并非WIMP,那么这种类型的实验就探测不到。 

我国以前没有自己的地下暗物质探测实验,但参与了两个国外的地下暗物质探测实验:高能所参与了意大利的DAMA 实验,这个实验利用意大利的Gran Sasso 隧道。清华大学参与了韩国的KIMS实验,这个实验利用的是韩国襄阳(Yangyang)水电隧道。 

目前,国际上的地下实验室有十几个,基本分为两类,一类是利用废弃的矿井,另一种是利用隧道。相比矿井而言,隧道在使用上要方便得多,可以直接开车进入。但是,隧道的深度受到山高的限制,对于比较短的隧道而言,还要考虑从山侧穿入的宇宙线。因此,找到合适的隧道并不是那么容易的事。幸运的是,在我国四川西昌地区的锦屏山,有条件极好的隧道。为了利用雅砻江的水能资源,二滩水电公司正在锦屏山附近修建水电站。雅砻江在这里有一个U字形的大转弯,长达二百多公里,然而直线距离不过二十多公里。填充U字形中心的是海拔四千多米、相对高差两千五百多米的锦屏山。为了方便水电工程建设,二滩公司在这里钻了两条长17.5公里的交通隧道,供施工车辆通行,其中一条已经投入使用。这条隧道上方覆盖着2.5公里厚的岩层,是世界第二深的隧道,而建成了地下实验室后,可以成为当前世界上最深的地下实验室,为暗物质直接探测实验提供非常好的条件。 

锦屏山还有一个重要优势,在于地下实验室所在处不是花岗岩,而是变质岩,其自然放射性相当低,实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低。

地下暗物质实验除了利用岩层屏蔽高能量的宇宙线外,本身还需要相当复杂的人工屏蔽以消除自然界放射性的影响。以锦屏山的清华实验(CDEX)为例,墙壁有涂层以尽量阻断岩体释放氡气,探测器屏蔽最外层用1米厚的聚乙烯层慢化岩石中同位素放射性产生的中子,中间用20厘米的铅层屏蔽伽玛光子,里层用15厘米的无氧铜屏蔽。在这些被动屏蔽层的里面,还有主动屏蔽层,探测穿越了上述几层屏蔽以及屏蔽层自身内微量同位素放射产生的粒子,从而否决(veto)由这些辐射产生的事件。所有这些屏蔽层以及探测装置自身的材料选择都非常讲究,以尽可能降低屏蔽材料和探测器中自身含有的微量放射性同位素。高纯锗探测器本身所用的锗纯度达13个9,以降低其自身放射性。

尽管我自己并不从事WIMP直接探测的实验工作(我在暗物质方面的研究主要是间接探测和天体物理限制,也就是利用暗物质粒子湮灭、衰变和相互作用在天体物理过程中的各种效应去探测它),但我一直认为,这种实验投资较少而科学意义重大,是非常适合中国当前情况的实验,因此在历次有关的讨论中,对于在国内建设地下实验室,开展WIMP直接探测实验,我都持积极支持的态度。当然,要开展这项研究,也必须有相关的人才、技术,还要找到合适的实验场地,所谓天时、地利、人和,各方面的要素都是需要的,而现实中这些因素往往并不同时具备。问题是我们是积极去寻找、创造这方面的条件,还是消极等待? 

清华大学从事暗物质探测研究的同事们积极行动,花费了许多时间与二滩公司联系、沟通,获得了他们的理解和支持。在二滩公司的支持下,目前已经建成了一块实验空间,其中里面的部分用来安装清华大学的高纯锗探测器,而稍稍在外面的一段空间则用来安装上海交通大学的液氙探测器。我国本土的暗物质直接探测,终于迈出了第一步。这件事情在两年前进行论证时好象还遥不可及,甚至不清楚到底能否搞起来,然而现在地下实验室已经开始了屏蔽层的安装工作,进展之迅速,令人目不暇接。 

这次我怀着非常激动的心情,随川大和清华的同事们一起,去锦屏山参观了建设中的地下实验室。置身期间,觉得实验空间相当充足,与在图纸上看的感觉颇有不同。另一方面,西昌特别是锦屏山风景秀美、交通方便,生活条件也相当不错。锦屏山水电站规模宏大、气象万千,建成后提供将大量的清洁能源,也让人过目难忘。 

祝愿从事暗物质直接探测的同事们早日取得成功!
 


雅砻江和锦屏山

 


地下实验室

 


锦屏山风景

 


电站水坝模型。坝高305米,建成后将成为世界最高的水坝






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来自:mtjs  > 基础科学
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