極深地下實驗室:清華大學和二灘水電開發有限責任公司合作，利用二灘公司為建 -百科知識中文網

簡介

作為中國首個極深地下實驗室，中國錦屏地下實驗室１２日在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用，這個世界岩石覆蓋最深的實驗室的啟用標誌著中國已經擁有開展物理學重大基礎前沿科學研究的自主地下實驗平台。

地下實驗室是進行暗物質探測實驗的最理想所在，原因在於：位於地下深處能夠在很大程度上免受宇宙射線影響。宇宙射線干擾科學家證明暗物質存在，暗物質據信構成宇宙質量的近四分之一。

綜述

清華大學副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平說，實驗室是清華大學和二灘水電開發有限責任公司合作，利用二灘公司為建設水電站修建的錦屏山隧道建成的，其垂直岩石覆蓋達２４００米，是目前世界上岩石覆蓋最深的地下實驗室。
據介紹，地下實驗室尤其是極深地下實驗室，是開展粒子物理與核物理學、天體物理學及宇宙學等領域的暗物質探測研究、中微子物理實驗研究等一些重大基礎性前沿課題的重要研究場所，是岩體力學、地球結構演化、生態學等學科開展相關實驗研究的重要環境，也是低放射性材料、環境核輻射污染檢測的良好環境。地下實驗室為國家提供綜合性的重大基礎科學和套用科學研究平台，是一個國家關鍵性的重大基礎科學研究設施，建設和發展極深地下實驗室具有重要科學意義和套用價值。

目前，美國、英國、法國、義大利、加拿大、日本等許多國家都已經建立起地下實驗室。中國此前一直沒有很好的地下實驗室，特別是極深地下實驗室，許多相關領域的研究工作無法開展或只能與國外有條件的實驗室聯合開展。地下實驗室主要是用來禁止高能宇宙線對於暗物質、雙貝塔衰變以及中微子實驗的本底影響。評價一個地下實驗室性能的最重要的參數之一就是宇宙線通量水平。

２００９年５月，清華大學與二灘公司簽訂戰略合作協定，決定利用錦屏山隧道垂直岩石覆蓋厚度大，圍岩放射性含量極低，能為相關實驗提供“乾淨”實驗環境的優勢，建設中國首個極深地下實驗室。初步測量顯示，能夠將宇宙線通量降到地面水平的約億分之一。
據了解，中國錦屏地下實驗室已經開始進行包括宇宙線通量、中子本底、伽馬本底、氡含量等一系列實驗室參數的測量工作。雖然目前實驗室規模相對較小，但利用其開展前期研究，進行宇宙線通量、環境本底、地質結構等方面的深入研究，將為中國未來在錦屏隧道這一獨特環境建設國家級的大型極深地下實驗室奠定工作基礎。

全世界地下實驗室分布圖

用於探測暗物質的地下實驗室已經有很多，例如韓國的KIMS地下實驗室，在錦屏之前，中國還沒有地下實驗室。錦屏地下實驗室若論岩石深度，現在是世界第一。我們期待錦屏地下實驗室早日建成並順利開展暗物質探測實驗。

其中最有名的是位於Gran Sasso的DAMA，我們知道，DAMA過去聲稱已經發現了暗物質的年調製現象，當然沒有得到公認。
最近CDMS則發表了兩個可能的暗物質事例，可信度也不高。
誰能第一個探測到暗物質？全世界都在競爭。
不論中國會不會第一個探測到暗物質，錦屏地下實驗室標誌中國第一次有能力有決心進入基礎物理實驗最激烈的競爭。

各國積極投入興建地下實驗室

地下實驗室位於地下深處，它能夠在很大程度上免受宇宙射線影響，因此是進行暗物質探測實驗的最理想的所在。當前，不少國家都積極投入研究，興建地下實驗室，以求最早發現暗物質。
美國於去年在美國南達科塔州的黑山興建一個深度約為2,438米的地下實驗室，用來尋找暗物質；此前科學家已在深度1,478米的“中段”實驗室進行了相關的測試。
日本盼最早發現暗物質
日本也於今年10月宣布建成暗物質檢測設施“XMASS”。“XMASS”位於岐阜縣飛鰭市神岡礦山地下1,000米深處。負責的東京大學宇宙射線研究所神岡宇宙基本粒子研究中心曾表示：“雖然觀測非常困難，但是希望能夠取得成功，在世界上最早發現暗物質。”
位於英國北約克郡博爾比地區一個地下礦井、深度350米的英國暗物質實驗中心也於今年4月正式啟動。

地下實驗室與中微子物理

科學目標及非加速器物理髮展態勢

粒子物理學取得了巨大的成功:迄今為止，所有實驗測量的結果都與標準模型的預言一致，有的精度達到10-5但是:作為基本理論的框架，它是不完整的，有19個參數需要測量，有許多基本問題不能回答，包括：為什麼費米子的質量延伸1011？CP破壞的起因?為什麼有三代結構？超對稱性和大統一理論需要實驗檢驗，但加速器能量的提高距此要求相差很大。

大爆炸理論獲得了巨大的成功

最新的WMAP的數據預言了宇宙的最終命運：宇宙的形成為137億年，誤差為1%。大爆炸兩億年後開始有星球形成，而且宇宙將永遠膨脹下去，WMAP給出最新的宇宙質量能量組成比是：重子物質占4%，暗物質占23%，暗能量占73%。

微觀和宇觀的統一

理論:TheoryofEverything
實驗:加速器物理
非加速器物理:
天體觀測

CPU)11個基本的問題

1.什麼是

的?
4.愛因斯坦有關引力的遺言?
5.中微子的質量是多少？它在宇宙演化中的作用是什麼？
6.宇宙線的起源和加速機制?
7.質子是穩定的嗎？
8.極端高溫和高密下是否有新物質態?
9.還有其它維的時空嗎?
10.鐵以上核的形成?
11.極高能量下是否需要新的有關物質和光的理論?

宇宙線物理與加速器物理互補

可以產生並且加速多種粒子：射線、中微子、帶電輕子、質子、氦和重核，還可能有奇異事例。
能譜很寬，從低能熱輻射至1020eV的稀有事例。
不同距離的研究，從地球尺度，河內到河外距離。
極端狀態的研究，從高溫高密的中子星到黑洞。
最有意義的物理在於宇宙線中包含了我們從未想到的東西，原因在於宇宙線中蘊含有基本規律所付與的信息，這些信息需要物理學家去解讀。

地下實驗室的套用

1).低本底，弱信號觀測，具有發現新物理的潛力
2).高於加速器能量的宇宙線研究
3).核物理、材料技術、微生物和地球科學。
國外從六十年代起陸續開始建立地下實驗室:
Homestake,GranSasso,Kamiokande,Soudan,SNO…,如今大多都獲得重大成果。一般都涉及多個研究方向,反覆使用,成為非加速器物理實驗研究的大平台。

地下實驗室物理

2.1長基線中微子振盪實驗
物理目標：2100Km
建立中微子振盪的框架結構；
測量中微子質量的Hierarchy；
測量中微子的物質效應；
對混合矩陣的元給出測量和限定；
對輕子家族的CP破壞給出測量或限定；

中微子振盪的測量

是一個很複雜的物理，它等同於夸克物理中CKM矩陣的測量，需要多個不同的探測器，不同基線長度的測量，主要的物理目標包括：
1）建立中微子振盪的框架結構，a）P(ee)+P(e)+P(e)，b)P(e)+P()+P()普通的中微子束流能夠對情形b)給出測量，情形a）的測量，包括e，只能通過中微子工廠實現。
2）測量中微子質量的模式，質量差m232的符號只能通過測量e穿過物質時振盪幾率與m232的符號有關而得到，這是超過2000公里的超長基線中微子振盪實驗的獨特物理。
3）驗證中微子通過物質的MSW效應，這對天文中微子的觀測和計算是重要的。
4）對混合矩陣的元給出測量和限定，而且這些測量一致性的驗證也是非常重要的，e束流就提供了獨立於束流的另一套測量結果。
5）對輕子家族的CP破壞給出測量值或限定，這個精確的測量是現有普通中微子束流的精度所達不到的，因而CP破壞值只能通過中微子工廠給出。

CP and mass hierarchy

國際合作獲得中微子束流的可能性

對中微子工廠做研究的有美國、歐洲（CERN）、日本三家.日本對中微子工廠的努力已經逐漸有了顯示度，基於FFAG(FixedFieldAlternatingGradient)原理進行子貯存環的研究可以減小對強場梯度的要求，因而可以節約貯存環的成本，而且已經在建設的J-PARC可以進一步節省前級強流質子加速器的費用。
在過去的三年里，我國與日本同行就有關長基線中微子振盪的實驗進行了廣泛的交流，分別各自成立了研究組，完成了兩篇報告.
同樣重要的是我們建立中微子的探測器，這樣也就加大了爭取束流指向的可能性。如:CERNtoGranSasso,KEKtoSuperK

CERN Layout for n Factory

用反應堆產生的中微子測量

到目前為止，實驗上測量的中微子混合角中都是大混合角，只有13的值很小;13大小與CP破壞成正比，而CP破壞的大小對解決物質與反物質世界不對稱之迷是重要的。反應堆測量直接與13有關，不與其它參數相簡併，相關性也很小。
大陸、台灣、香港同行們正開始考慮以三方為主的國際合作，探討在國內利用廣東大丫灣反應堆進行實驗的可能性。在距大丫灣發電站約1公里的嶺東正在新建另一個發電站，預計它們的總功率將達到18GW，比現有世界上大部分的地點具有明顯的優越性。這提供了一個近期開展目前非常有意義的中微子物理研究的機會。

Matter and Anti-Matter Early Universe

Leptogenesis

YougenerateLeptonAsymmetryfirst.
GenerateLfromthedirectCPviolationinright-handedneutrinodecay

gets converted to B via EW anomaly

Morematterthananti-matter
Wehavesurvived“TheGreatAnnihilation”

大亞灣反應堆中微子

H.其它的中微子物理
1).太陽中微子
2).雙衰變
3).大氣中微子實驗

太陽中微子

對中微子質量平方差的靈敏度可到m2~10-12eV，這個數值是地球上中微子實驗的好幾個數量級，未來實驗累積足夠的pp太陽中微子數據將給出最好的12和m122的測量值；中微子在太陽中穿過了~1010g/cm2的物質，它與物質的相互作用可以增大振盪的幾率（MSW物質效應），因此低能太陽中微子的測量將給出LMA解的驗證。中微子（pp和7Be）的精確測量將進一步限定e到s的耦合，因為即使s與其它中微子有很小的耦合也會在宇宙學中有很大的影響；太陽中微子測量的探測器還是一個極好的超新星探測器；太陽中微子的測量還對太陽物理檢驗提供重要依據，對了解太陽內部核反應鏈的周期活動非常重要，未來太陽中微子的探測器期望能夠測量彈性散射和帶電流的相互作用，測量精度為1-3%，要求能夠區分到達的中微子的味道。

SNO comes to the rescueCharged

Current:ne
NeutralCurrent:ne+nm+nt
5.3sdifference
nm,tarecomingfromtheSun!

Wrong Neutrinos

OnlyneproducedintheSun
WrongNeutrinosnm,tarecomingfromtheSun!
Somehowsomeofnewereconvertedtonm,tontheirwayfromtheSun’scoretothedetector
neutrinooscillation!

雙衰變

R.SeesawMechanism
Whyisneutrinomasssosmall?
Needright-handedneutrinostogenerateneutrinomass,butnRSMneutral:

Grand Unification

electromagnetic,weak,andstrongforceshaveverydifferentstrengths
Buttheirstrengthsbecomethesameat1016GeVifsupersymmetry
Toobtain
m3~(Dm2atm)1/2,mD~mt
M3~1015GeV!

大氣中微子實驗

A half of nm lost!

宇宙學和天體物理

1).暗物質
2).超新星中微子探測
3).核天體物理

暗物質

微波背景輻射和大尺度結構的精確測量使我們不得不接受宇宙中充滿了暗能量和暗物質的事實。物質成分的比例遠遠超過重子物質強烈地說明存在有非重子的物質成份，這些物質產生於早期熱宇宙中，現在作為一個物質背景而存在，對宇宙膨脹和大尺度結構產生影響。

Direct detection - general principles

超新星中微子探測

超新星中微子探測（Cont.)

Structure of Supernova Neutrino Signal

NeutrinoMassfromEarlyBlackHoleFormation

核天體物理

質子衰變

最新測量的中微子質量模式隱含了存在～0.3x1015GeV右手Majorana中微子的Seesaw機制，能量標度與大統一能量相符。但大統一理論最直接的預言是核子衰變為輕子物質，如電子和介子，顯示夸克輕子的統一性和輕子起源(Leptogenesis)的概念。
探測器將是百萬噸的水契倫柯夫探測器或大規模的液氬探測器。百萬噸的探測器同時可以進行長基線中微子振盪測量、測量CP破壞，可以進行大氣、太陽和超新星中微子的實驗。

TheFuture:AMegatonneDetector?

其它學科

1).地球科學
地下岩洞的長期穩定性，時間與周圍環境的影響以及與理論模型的比較。這些研究對於長壽命核廢料的儲存和今後洞穴的設計都有意義。
2).微生物學
研究生物群在非原生和苛刻環境下的生存能力和活動能力；研究本地微生物群和周圍環境對它們的影響；研究深層地下有液體的斷層和岩石斷層間生物群的差別，以此考察生物群在極端環境下的生存。
3).精密核分析
低本底材料的開發和套用,用於下一代的雙β衰變，暗物質尋找和太陽中微子實驗。也有可能生產高放射性純度的材料套用於商業。

投資估計

地下實驗室建設：約5千萬；
中、小型宇宙線或天體物理實驗：
約1-5千萬；
用於反應堆e測量的罐形液閃探測器（1-2百噸）：約1億；
長基線中微子探測器（以一萬噸夾層的鐵磁探測器或基於模型結構的十萬噸水契侖柯夫探測器為例估算）：約5-10億。

結論

建議選擇合適的地點建立一個國家級的地下實驗室，以長遠，可更新，多學科綜合為目標，著眼於有重大物理意義的課題，抓住粒子天體物理剛開始發展，將要取得有突破性進展的機遇，做出有實質意義的貢獻。

我們不應該太晚而喪失建立地下實驗室的機會

地面實驗
地下實驗

極深地下實驗室

簡介

綜述