在我国四川凉山彝族自治州的锦屏山深处,隐藏着一座全球科研领域的神秘殿堂 —— 锦屏地下实验室。它宛如一颗深埋地下的璀璨明珠,以其得天独厚的优势,吸引着全世界科学家的目光。
锦屏地下实验室的垂直岩石覆盖深度达到了惊人的 2400 米,这一深度堪称世界之最。如此深厚的岩石屏障,如同超级护盾,将宇宙射线的干扰削弱到了极致。实验室中的宇宙线通量仅为地表的一亿分之一,为前沿物理科学研究营造出了近乎 “真空” 的纯净环境,让那些对环境要求苛刻至极的实验得以顺利开展。
自 2010 年 12 月锦屏地下实验室(一期)建成投运以来,这里就成为了我国首个极深地下实验室,填补了国内深地科研领域的空白。2014 年,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司携手规划建设实验室二期项目,使得地下可用实验空间从原来的 4000 立方米大幅扩展到 33 万立方米,为更多前沿科学研究项目的入驻敞开了大门。如今,这里已经汇聚了来自清华大学、上海交通大学、北京师范大学、中国原子能研究院等众多高校和科研院所的 10 个实验项目组,涵盖了暗物质探测、中微子研究、核天体物理、深地医学、深地岩石力学、微弱力测量等多个学科门类,成为了一个多学科交叉的世界级深地科学研究中心。
一、平台登场:科技新突破近日,从四川锦屏山深处传来一则令科学界振奋不已的消息:国际顶级深地液氮实验平台 —— 锦屏大设施,正式开启关键科学实验设备的调试运行阶段。这一重大进展,宛如一颗耀眼的新星在深地科研的苍穹中闪耀,标志着我国在深地科研领域迈出了具有里程碑意义的坚实一步。
锦屏大设施坐落于锦屏地下实验室二期,这里拥有全球首屈一指的实验条件。其垂直岩石覆盖深度达 2400 米,如同地球为科研精心打造的天然 “隔音罩” 与 “防辐射盾”,将宇宙射线的干扰削弱到了微乎其微的程度,宇宙线通量仅为地表的一亿分之一,为那些对环境要求严苛至极的前沿物理实验提供了近乎完美的 “净土”。
二、锦屏地下实验室独特优势(一)地质条件得天独厚锦屏地下实验室坐落于四川省凉山彝族自治州的锦屏山交通隧道内,这里的地质条件堪称一绝。其垂直岩石覆盖深度达到了惊人的 2400 米,厚厚的岩石层如同天然的 “铜墙铁壁”,将宇宙射线的干扰削弱到了极致。实验室中的宇宙线通量仅为地表的一亿分之一,为那些对环境要求苛刻至极的前沿物理实验提供了近乎完美的 “净土”。
锦屏山的岩体主要由大理岩构成,这种岩石自身辐射极低,为实验室创造了极致的低辐射环境。在建设过程中,所有建筑材料更是 “精挑细选”,全部定制生产,严格保证辐射本底满足科学实验的严苛要求。此外,实验室还运用了全球首创的防水抑氡施工工艺,配以超长距离新风系统及低温吸附技术,全方位确保实验环境的稳定性与纯净度。
(二)空间布局科学合理走进锦屏地下实验室,内部宽敞的空间令人惊叹。实验室总容积达 33 万立方米,相较于一期的 4000 立方米,足足扩大了近 80 倍,为大型科研设备的安置与大规模实验的开展提供了充足的场地。其功能分区明确,不同的实验区域错落有致,既能满足清华大学主导的高纯锗直接探测(CDEX)、上海交通大学主导的液氙直接探测(PandaX)等暗物质直接探测实验以及清华大学主导的锦屏中微子实验等大型前沿物理实验需求,也能为小型原理验证实验提供专门的场地。
在屏蔽防护方面,锦屏大设施更是下足了功夫。它在约 2400 米岩石覆盖的地下空间建设了大型液氮低温屏蔽装置、大型常温纯净水屏蔽装置,同时配备多套组合式固体辐射屏蔽装置,构建成一个既能进行大型前沿物理实验、又能开展小型原理验证实验的极深地下极低辐射本底屏蔽平台。大型液氮屏蔽装置高约 20 米,相当于 6 层楼高,可为新一代暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变实验提供探测器低温工作环境和辐射屏蔽系统,确保实验免受外界干扰,精准捕捉每一个细微的信号。
三、液氮实验平台关键设备解密(一)大型液氮低温屏蔽装置作为锦屏大设施项目的关键大型工艺设备之一,大型液氮低温屏蔽装置宛如一位忠诚的卫士,守护着实验的精准性。它高达 20 米,相当于 6 层楼高,巍峨耸立在地下实验室中。其内部结构精妙绝伦,通过约 6 米厚的高纯液氮,构建起一道坚不可摧的防线,阻挡并降低岩石、建筑材料中的辐射本底,为新一代暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变实验提供了探测器所需的低温工作环境和强大的辐射屏蔽系统。在这个低温且低辐射的 “避风港” 里,探测器得以摆脱外界干扰,全神贯注地捕捉那些极其微弱的信号,让科学家们距离揭开宇宙奥秘的真相更近一步。
(二)配套设备协同发力在这场探索宇宙奥秘的科研征程中,大型液氮低温屏蔽装置并非孤身奋战,大型常温纯净水屏蔽装置以及多套组合式固体辐射屏蔽装置与其紧密配合,形成了一套全方位、多层次的防护体系。
大型常温纯净水屏蔽装置犹如一面清澈的护盾,主要为暗物质直接探测、中微子实验提供常温的工作环境和良好的屏蔽系统。它利用足够厚的纯净水,巧妙地阻挡外部岩石和建筑材料对于实验的辐射本底贡献,确保实验在稳定的环境中进行。
组合式固体辐射屏蔽装置则像是一套百变的 “乐高积木”,具备高度的机动性与灵活性。它主要利用聚乙烯、铅和高纯无氧铜等材料,根据不同探测器形状和大小的科学实验需求,快速搭建起量身定制的屏蔽系统,为相对小型的实验提供精准的本底屏蔽保障,让每一个小型原理验证实验都能在理想的环境中开花结果。
四、科研展望:探索宇宙奥秘(一)暗物质探测新契机暗物质,这一占据宇宙物质总量约 27% 的神秘存在,如同宇宙中的 “隐形巨人”,虽从未被直接观测到,却通过引力效应彰显着自身的影响力。长期以来,科学家们为了捕捉暗物质的踪迹,可谓绞尽脑汁。
传统的天文观测手段,如光学望远镜、射电望远镜等,在探测暗物质时遭遇了重重困境。因为暗物质几乎不与电磁力发生作用,这使得依靠电磁辐射来探测它的常规方法收效甚微。而锦屏地下实验室的出现,宛如一道曙光,为暗物质探测开辟了全新的路径。
凭借着极深地下 2400 米的绝佳环境,锦屏大设施能够有效屏蔽宇宙射线、岩石辐射等各类背景噪声,将干扰因素降低到极致。在这里,科学家们可以布置超灵敏的探测器,静静等待暗物质与普通物质那极其微弱的相互作用。当暗物质粒子偶尔与探测器中的原子核发生碰撞时,或许会产生极其细微的能量变化或信号闪烁,而大型液氮低温屏蔽装置等一系列先进设备所营造的低温、低辐射环境,就如同给探测器戴上了一副 “降噪耳机”,让它们能够精准地捕捉到这些稍纵即逝的信号。一旦成功探测到暗物质,这将如同打开了一扇通往宇宙全新认知的大门,彻底改写人类对宇宙物质构成和演化的理解,引发物理学乃至整个科学界的革命。
(二)中微子研究新篇章中微子,这种被誉为 “幽灵粒子” 的微观存在,具有极其微小的质量和超强的穿透力,能够如鬼魅般轻松穿越地球。它们在宇宙演化、恒星内部核反应等诸多过程中扮演着关键角色,是解开宇宙奥秘的又一把重要钥匙。
然而,中微子的探测难度极高,因为它们与物质的相互作用极其微弱,需要极其灵敏且低噪声的探测环境。锦屏地下实验室凭借其得天独厚的低辐射背景与高净化技术,为中微子研究搭建了理想的舞台。
在锦屏大设施中,大型液氮低温屏蔽装置、大型常温纯净水屏蔽装置以及组合式固体辐射屏蔽装置协同工作,极大地降低了环境本底辐射,减少了对中微子探测的干扰。科学家们可以在此运用多种探测技术,如液体闪烁体探测器、切伦科夫探测器等,高精度地测量中微子的能量、方向等关键参数。通过对不同来源中微子的深入研究,有望揭示太阳内部核反应的精细过程、超新星爆发的秘密,以及宇宙中物质与反物质不对称的根源等一系列重大科学问题,推动粒子物理研究迈向新的高峰,为人类探索宇宙的起源与演化提供坚实的理论支撑。
五、国际合作:汇聚全球智慧锦屏大设施的启用,不仅是我国深地科研领域的重大胜利,更是为全球科学界搭建了一座合作共赢的桥梁。其独特的实验条件,如 2400 米深的地下屏蔽、大型液氮低温屏蔽装置等,吸引了世界各国科研团队的目光。
来自美国、欧洲、日本等国家和地区的顶尖科研机构,已纷纷向锦屏地下实验室抛出橄榄枝,表达了强烈的合作意向。在未来,我们有望看到各国科学家汇聚于此,共同开展前沿物理实验。他们将带来不同的研究思路、技术方法,在暗物质探测、中微子研究等领域携手攻坚。通过国际合作,不仅能够加速科研进程,提升研究成果的质量与影响力,还能促进学术交流,为我国培养一批具有国际视野的科研人才,进一步提升我国在国际科研舞台上的地位,为人类科技的进步贡献磅礴的中国力量。