世界各国加紧建设 极深实验室地球深处科研殿堂

2010-12-17 11:07 来源: 环球时报
1179 收藏到BLOG

垂直高度二千四百米

垂直高度二千四百米

  在电影《2012》里,印度科学家在距离地面1万米深的地下实验室工作,最先发现地球毁灭征兆。虽然这是部灾难片,1万米深的地下实验室尚不存在,但许多国家已建有深度上千米的地下实验室。12月12日,我国首个极深地下实验室“锦屏实验室”在四川雅砻江锦屏水电站投入使用,垂直岩石覆盖达2400 米,成为世界上岩石覆盖最深的实验室。参与锦屏实验室项目的中科院高能物理研究所研究员李金对《环球时报》记者表示,该实验室的启用,标志着我国已拥有世界一流研究平台,能自主开展暗物质探测这样国际最前沿的基础课题。

  地下实验室藏身大山中

  极深地下实验室分为两类,一类是利用废弃的垂直矿井,另一种是利用山脉隧道。隧道的深度受到山高限制,还要考虑从山侧穿入的宇宙射线。因此,找到合适的隧道并不容易。

  四川雅砻江锦屏水电站的建设,为建设我国首个极深地下实验室带来了契机。该地下实验室其实并不是在地下,而是在山中。在建设水电站的过程中,锦屏山底修建了17.5公里可以通行汽车的隧道。现在的锦屏地下实验室,就是利用这条隧道,在其侧面挖出的一个空间。锦屏山是建造极深地下实验室的“风水宝地”。 在实验室的上面,是2400多米厚的山体岩石,屏蔽了绝大多数宇宙射线,该实验室的宇宙射线通量,相当于地面的亿分之一甚至更小,是世界最著名的意大利格朗萨索国家地下实验室宇宙射线通量的1/100。

  李金研究员告诉《环球时报》记者, 锦屏实验室不仅屏蔽效果最好,而且建在水平隧道中,有利于开车进出,便于实验安排。另外,这个实验室在西昌卫星发射基地南边,地质稳定,山体多为大理石,放射性本底低,对实验干扰少。

  帮人类探测宇宙中神秘的暗物质

  李金表示,建设该实验室的主要目的是进行宇宙暗物质的探测。目前人类认知的物质只占物质世界的4%,而暗物质在物质世界的比例约占23%。揭开暗物质之谜,将是人类认识自然规律的一次重大飞跃,意义非常重大。

  暗物质几乎既不发光也不吸收光,不产生电磁辐射,人类的感官和现有的技术手段几乎无法感知。探测暗物质的办法之一,是用高度灵敏的、屏蔽的探测器,直接探测原子核与暗物质碰撞产生的信号。为尽可能减少来自宇宙射线和自然放射性产生的中子噪声干扰,必须把探测器深埋地下。实验室越深,对宇宙射线的屏蔽效果就越好。

  最早的地下实验室严格说只是个“临时设施”,1966年,美国科学家莱伊·戴维斯为验证太阳中微子的存在,绞尽脑汁寻找屏蔽宇宙射线的实验场所,最终他来到南达科他州的一座金矿,在废弃矿井里开辟出一个实验室。戴维斯通过这种方法验证了太阳中微子的存在,并于2002年获得诺贝尔物理学奖。

  目前,美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等国家,已建立起10多个极深地下实验室。这些实验室深度在几百米到 1000多米不等。美国南达科他州的地下实验室正不断扩建,由于出现积水问题曾一度停工,但最终目标是建成超过3000米深的世界第一深实验室。而研究课题最多、规模最大的是意大利格朗萨索国家地下实验室,该实验室深度为1400米,总容积18万立方米,目前有20多个国家的750多名科学家围绕这个实验室工作。日本于今年10月在岐阜县飞鳍市神冈矿山的矿井下,建设了XMASS地下实验室。英国一个深达350米的地下实验室,也于今年4月正式启动使用。各国积极兴建极深地下实验室的目的,就是希望能够成为最早发现暗物质的国家。

  可开展多项研究

  尽管有岩石和土壤的天然屏障,锦屏极深实验室的“内装修”仍相当复杂。实验室有相当复杂的人工屏蔽方法。最外层是1米厚的聚乙烯,阻挡岩石中的中子射线,中间用20厘米厚的铅层屏蔽伽玛光子,里层用10厘米厚的无氧铜屏蔽,最后才是高纯锗探测器的空间。

  李金表示,中国的暗物质探测实验由多个部分组成,核心部分就是隧道中的极深实验室,是做探测的场所,大约320平方米,隧道口是探测人员所在的位置,接收和处理实验数据,清华大学的后方实验室负责数据分析。

  除研究暗物质外,极深地下实验室还是开展岩体力学、地球结构演化、生态学等相关实验的重要环境。以地震为例,地震预报的难处在于地震的应力积累和孕育过程都在地壳深处,从地面很难进行监测。如果能够在极深地下实验室对地震波、形变场和应力场进行连续、直接的观测,将对地震预测研究有极为重要的作用。此外,在远离阳光和地表生态环境的实验室里,人们还可以对极端环境下生物群的生存状态,以及生物一旦进入极端环境后如何维持生命活力,进行认真的观察和研究。没准通过这些研究,人们真能如《2012》里描绘的那样,找到足以摆脱灾难的“方舟”。  

锦屏极深实验室被2400米厚的岩石覆盖。

锦屏极深实验室被2400米厚的岩石覆盖。