錦屏極深地下暗物質實驗室

錦屏極深地下暗物質實驗室

錦屏極深地下暗物質實驗室簡稱錦屏地下實驗室,是位於中國四川雅礱江錦屏的中國首個用於開展暗物質探測等國際前沿基礎研究課題的極深地下實驗室。該實驗室於2010年12月12日正式投入使用。

運用

錦屏極深地下暗物質實驗室具有低放射性材料、環境核輻射污染的低輻射環境,能用於開展核物理、粒子物理、天體物理及宇宙學等領域的暗物質探測研究、中微子物理學實驗等一類重大基礎性前沿課題的重要研究場所,也可以成為岩體力學、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。

建設

清華大學與二灘公司於2009年5月簽訂戰略合作協定。該協定中決定利用錦屏山隧道覆蓋厚度國際最大的地理條件,將宇宙射線通量降至地面水平的千萬分之一至億分之一,為相關精密實驗提供潔淨的地下實驗環境。錦屏極深地下暗物質實驗室是利用其所處地四川錦屏山之前與二灘水電站一同修建的長達18公里的可通駛汽車的隧道建成,該隧道上方為厚達2500米的山體岩石,為建設需要隔絕穿透力極強的宇宙射線的極深地下暗物質實驗室提供了優越的環境。另外,與其他部分由礦井改建而成的地下實驗室相比,錦屏極深地下暗物質實驗室的交通更為方便,研究人員與科研設備可乘車進入,不必靠電梯升降。

實驗安排

2010年12月,清華大學實驗組的暗物質探測器已進入錦屏極深地下暗物質實驗室,並啟動探測工作。
2011年,上海交通大學等研究團隊也將進入該實驗室展開對暗物質的探測研究。

意義

錦屏極深地下暗物質實驗室的建標誌著中國擁有世界級高水平的潔淨低輻射平台,已有能力自主開展暗物質探測等國際前沿基礎研究課題的投入使用,對於推動中國重大基礎前沿課題的自主研究和套用研究意義重大。
中國首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”2010年12月12日在四川雅礱江錦屏水電站揭牌並投入使用,錦屏地下實驗室垂直岩石覆蓋達2400米,是目前世界岩石覆蓋最深的實驗室。它的建成標誌著中國已經擁有了世界一流的潔淨的低輻射研究平台,能夠自主開展像暗物質探測這樣的國際最前沿的基礎研究課題。目前,清華大學實驗組的暗物質探測器已經率先進入實驗室,並啟動探測工作,而明年上海交通大學等研究團隊也將進入這裡開展暗物質的探測研究。
“中國錦屏地下實驗室”中用於暗物質探測的超低能量閥高純鍺探測器。“中國錦屏地下實驗室”中用於暗物質探測的超低能量閥高純鍺探測器。

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。
清華大學副校長康克軍介紹說,目前,美國、英國、法國、義大利、加拿大、日本等國家都建有很好的地下實驗室。由於此前中國一直沒有很好的地下實驗室,特別是極深地下實驗室,以致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。“中國錦屏地下實驗室”系利用二灘公司為建設水電站而修建的錦屏山隧道建成,這條隧道除了有約2400米的岩石覆蓋層外,洞內岩體天然放射性極低,非常適合開展暗物質探測等基礎科學領域的探測試驗。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國際最大,能將宇宙線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一,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。

暗物質

在宇宙學中,暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。人們目前只能通過引力產生的效應得知宇宙中有大量暗物質的存在。暗物質存在的最早證據來源於對球狀星系旋轉速度的觀測。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究表明:我們目前所認知的部分大概只占宇宙的4%,暗物質占了宇宙的23%,還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。
每天幾萬億個暗物質穿過你的身體,暗物質———困擾科學界的一個難解之謎 。
近八十年來,暗物質一直是困擾科學界的一個難解之謎。關於暗物質,普遍的理論認為,在宇宙中只有四分之一的物質是可見的,而那四分之三的不可見神秘物質就是所謂的暗物質。多少年來,科學家一直在尋找暗物質存在的直接證據,但都沒有取得實質性成果。美國科學家的這次發現一經證實,它將為人類尋找暗物質的艱難歷程畫上一個圓滿的句號。
據研究人員介紹,他們是在一個廢棄的地下鐵礦中捕獲到暗物質的。這個地下鐵礦就是美國明尼蘇達州北部的索丹鐵礦,大約位於地面之下半英里(約合800米)的位置。在索丹鐵礦的底部,安裝有高敏感探測器,這些探測器都是美國“低溫暗物質搜尋計畫”的實驗裝置。近日,研究人員利用這些高敏感探測器捕捉到暗物質粒子的身影。
“低溫暗物質搜尋計畫”項目首席科學丹-巴維爾介紹說,該項目組此次共發現了兩個粒子,它們的特點與預期中的暗物質粒子完全吻合。
沒有暗物質,我們也不可能生活在這裡。
儘管目前得到的結果尚有待進一步證實,但是它還是引起了科學界的轟動。英國劍橋大學天文學院科學家吉利-吉爾摩認為,“如果他們確實發現了暗物質的真正蹤跡,那絕對是一個偉大的發現。暗物質是宇宙的重要組成部分,而且也是宇宙成為一個整體的必要物質。當普通物質融入到暗物質之中時,就可形成星系、恆星、行星以及人類生命。沒有暗物質,我們也不可能生活在這裡。”
現代意義上的暗物質概念最早是由瑞士天文學家弗里茲-扎維奇於1933年提出的。自此,科學家們就一直在暗物質是否存在這個問題上爭論不休。
2008年,“哈勃”太空望遠鏡在一個遙遠星系周圍的幽靈狀光環中發現了暗物質存在的非直接證據。這種神秘光環就是當恆星的光線經過暗物質時被彎曲所形成的。暗物質是由多種不可見粒子組成,這種說法既可以解釋宇宙中的“質量缺失”現象,也可以為人類尋找暗物質的道路指點方向。所謂的“質量缺失”現象,就是指占宇宙四分之三質量的物質不見蹤影,利用牛頓引力理論根本無法解釋這種現象。
為什麼時間總是沿著單一方向前進?
吉爾摩認為,“這一發現的真正影響是屬於心理方面的,它表明我們正在接近一個全新的物理學世界。我們都知道,宇宙中存在許多事物和屬性。對於粒子家族的這些新成員,所有事物和屬性都將要做出反應。在現有許多最神秘的問題中,時間為什麼總是沿著單一方向前進這個問題將通過暗物質粒子來得到合理的解釋。”許多科學家相信,暗物質粒子將成為“超對稱性”理論的有力證據。“超對稱性”理論認為,宇宙中的任何粒子都是成雙成對的,即它還有一個相對較重的伴侶粒子。發現“超對稱性”理論的證據也是歐洲大型強子對撞機的主要目標之一。
暗物質粒子的奇特之處就在於,當它們穿過某物體時,就像對方不存在一樣。“每天可能有幾萬億個暗物質穿過你的身體,但你卻感受不到,這是因為暗物質的散射截面很小。”根據它們的這種特性,科學家們將它們命名為“WIMPs”粒子,即弱相互作用重粒子。科學家們相信,每時每刻,都有大量的“Wimps”粒子穿越地球,穿越所有事物,當然也包括我們的身體。
該圖演示了不可見暗物質是如何在光環中結合的。該圖演示了不可見暗物質是如何在光環中結合的。

最新研究發現——暗物質在星系團中呈扁平狀分布。
日本國立天文台參加的一個研究小組2010年4月26日宣布,對美國夏威夷島“昴”望遠鏡拍攝的星系團圖像進行分析後確認,神秘的暗物質在星系團中呈扁平狀分布。
根據傳統理論,在由約1000個星系組成的銀河系裡存在著大量暗物質,但是這些暗物質並沒有均勻分布。此次的觀測結果與這一理論相一致。
國立天文台觀測了離地球約30億光年的25個星系團。國立天文台研究員大栗真宗指出:“在今後的觀測中,希望調查更詳細的分布情況。”

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