雅礱江，金沙江最大的支流，發(fā)源于青海省境內(nèi)的巴顏喀拉山南麓，自西北向東南逶迤而來(lái)，當(dāng)雅礱江奔流至四川省涼山州境內(nèi)時(shí)，洶涌的雅礱江被巍峨的錦屏山截住了去向，江流被迫轉(zhuǎn)彎，形成了150公里壯美的大河灣。目前世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室——“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”，就隱藏在雅礱江邊錦屏山2400米的地下。目前該實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)入二期建設(shè)。
這座世界最深的地下實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行的前沿物理實(shí)驗(yàn)有哪些?即將開(kāi)展的暗物質(zhì)直接探測(cè)、無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)和核天體物理等前沿實(shí)驗(yàn)將如何進(jìn)行?日前科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家。
探尋暗物質(zhì)“影子”
清華大學(xué)工程物理系教授岳騫說(shuō)，暗物質(zhì)是既不發(fā)射光、也不吸收和反射光的物質(zhì)，占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的80%—90%。國(guó)際上的暗物質(zhì)探測(cè)研究主要有直接探測(cè)、間接探測(cè)、加速器產(chǎn)生等3種研究方法，其中暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是最直接準(zhǔn)確的暗物質(zhì)探測(cè)研究手段。
在暗物質(zhì)直接探測(cè)中，國(guó)際上總體分為兩大類(lèi)實(shí)驗(yàn)：第一類(lèi)是針對(duì)10千兆電子伏特以上重質(zhì)量暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，其代表是基于惰性元素氙或氬的氣液二相直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，比如美國(guó)的LZ、歐洲的XENON、上海交通大學(xué)牽頭的PandaX液氙實(shí)驗(yàn)組，以及美國(guó)的DarkSide液氬暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)最大特點(diǎn)是探測(cè)器單體質(zhì)量大(已經(jīng)達(dá)到數(shù)噸級(jí)，未來(lái)計(jì)劃達(dá)數(shù)十噸)、本底水平低、對(duì)重暗物質(zhì)有極佳的探測(cè)靈敏度。第二類(lèi)是針對(duì)10千兆電子伏特以下輕質(zhì)量暗物質(zhì)直接探測(cè)的實(shí)驗(yàn)。其中的代表是超低溫量能器實(shí)驗(yàn)以及點(diǎn)電極高純鍺實(shí)驗(yàn)，超低溫量能器實(shí)驗(yàn)的典型案例是由美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的基于極低溫鍺量能技術(shù)的SuperCDMS實(shí)驗(yàn)，以及由歐洲主導(dǎo)的基于極低溫CaWO4量能技術(shù)的CRESST實(shí)驗(yàn);點(diǎn)電極高純鍺實(shí)驗(yàn)的典型案例是由清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的基于陣列式點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器技術(shù)的CDEX實(shí)驗(yàn)。
岳騫說(shuō)，在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)牽頭的CDEX實(shí)驗(yàn)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(cè)器開(kāi)展10千兆電子伏特以下的輕暗物質(zhì)粒子的直接探測(cè)研究。暗物質(zhì)粒子與探測(cè)器中的鍺原子核發(fā)生“碰撞”，探測(cè)器會(huì)記錄反沖鍺原子核的能量，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月到幾年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，我們可以獲得暗物質(zhì)粒子在高純鍺探測(cè)器中的能譜，從而尋找暗物質(zhì)粒子乃至研究其性質(zhì)。
同時(shí)，上海交通大學(xué)牽頭的PandaX實(shí)驗(yàn)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(cè)器開(kāi)展10千兆電子伏特以上的重暗物質(zhì)粒子的直接探測(cè)研究。
確定中微子質(zhì)量排序
原子核中兩個(gè)中子變成兩個(gè)質(zhì)子的衰變叫雙貝塔衰變。雙貝塔衰變過(guò)程發(fā)射兩個(gè)貝塔粒子的同時(shí)會(huì)伴隨兩個(gè)中微子的產(chǎn)生，這已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。而無(wú)中微子雙貝塔衰變是指不伴隨發(fā)射中微子的雙貝塔衰變過(guò)程，可以通過(guò)尋找該過(guò)程對(duì)中微子是否為自身的反粒子做出判斷，并對(duì)三種中微子質(zhì)量排序。
清華大學(xué)工程物理系副教授馬豪說(shuō)，無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)主要包括基于鍺-76的高純鍺實(shí)驗(yàn)，如歐洲的GERDA、美國(guó)的Majorana和清華大學(xué)牽頭的CDEX實(shí)驗(yàn);基于氙-136的液氙或氣氙實(shí)驗(yàn)，如歐洲的NEXT、美國(guó)的nEXO和上海交通大學(xué)牽頭的PandaX實(shí)驗(yàn);以及基于碲-130的極低溫實(shí)驗(yàn)。
“目前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，未來(lái)五到十年是發(fā)展大型無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展研究確定中微子質(zhì)量排序的關(guān)鍵期。”馬豪說(shuō)，GERDA、Majorana和我國(guó)的CDEX等已經(jīng)合作成立了面向未來(lái)噸級(jí)高純鍺雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)的LEGEND合作組，開(kāi)展高純鍺探測(cè)器技術(shù)以及鍺材料同位素純化工作，推動(dòng)下一步的大規(guī)模國(guó)際合作。目前在國(guó)際上，加拿大斯諾實(shí)驗(yàn)室和我國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的巖石覆蓋深度能夠更好滿足LEGEND實(shí)驗(yàn)的宇宙射線本底需求，這一大型國(guó)際前沿研究項(xiàng)目有望落戶錦屏。此外，上海交通大學(xué)與國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)展高壓氣氙測(cè)量雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研;復(fù)旦大學(xué)研究組計(jì)劃采用基于鉬-100同位素的鉬酸鋰探測(cè)器開(kāi)展研究;華中師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用基于硒-82同位素的氣體六氟化硒時(shí)間投影室探測(cè)器開(kāi)展研究。
同時(shí)，該地下實(shí)驗(yàn)室還將在核天體物理科研領(lǐng)域發(fā)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(xué)科，主要研究宇宙中各種化學(xué)元素的起源以及核過(guò)程如何控制恒星的演化及結(jié)局。”馬豪說(shuō)，在國(guó)外，意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室的LUNA實(shí)驗(yàn)組，利用靜電加速器在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)星體內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)，在質(zhì)子-質(zhì)子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和碳氮氧循環(huán)中的關(guān)鍵反應(yīng)截面測(cè)量方面成果顯著。英國(guó)Boulby地下實(shí)驗(yàn)室提出了建設(shè)3兆電子伏特靜電加速器的ELENA計(jì)劃;西班牙LSC地下實(shí)驗(yàn)室提出了CUNA核天體物理計(jì)劃。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)原子能科學(xué)研究院牽頭的JUNA實(shí)驗(yàn)組，計(jì)劃在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期中重現(xiàn)并研究恒星演化中的核過(guò)程和宇宙中如何合成較重的化學(xué)元素，實(shí)驗(yàn)室本底水平和加速器裝置參數(shù)均優(yōu)于LUNA實(shí)驗(yàn)，能夠開(kāi)展LUNA無(wú)法完成的核天體物理中一系列重要反應(yīng)的直接測(cè)量工作，并將測(cè)量能量范圍推進(jìn)到天體物理感興趣能區(qū)，預(yù)期獲得更好的測(cè)量精度。(記者 盛利)
關(guān)鍵詞： 暗物質(zhì)
