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十年夢(mèng)圓 打造世界最深地下實(shí)驗(yàn)室
2010-12-25 15:51:19 來源：新清華  “中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”揭牌儀式現(xiàn)場(chǎng) （攝影 郭海軍） 2008年8月8日，當(dāng)世人的目光都聚焦于北京奧運(yùn)會(huì)開幕式時(shí)，我校工物系副教授岳騫卻被一則不太起眼的消息深深吸引住了：“世界第二深埋隧道———錦屏山交通隧道全線貫通”。 岳騫立刻想到，這可能是我國建設(shè)自己的極深地下實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)契機(jī)。很快，他通過朋友找到了修建錦屏山隧道的二灘公司的工作人員，根據(jù)從他們那里初步了解到的信息，岳騫意識(shí)到，我國一直沒有很好的地下實(shí)驗(yàn)室的情況有可能被改變。 利用錦屏山隧道建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室的想法，得到國內(nèi)粒子物理、天體物理領(lǐng)域同行的積極響應(yīng)。 校長顧秉林，校黨委書記胡和平，副校長康克軍、程建平等學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)高度重視這一情況，認(rèn)為建設(shè)我國自己的極深地下實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域重大基礎(chǔ)性前沿課題的自主研究具有重大意義。校領(lǐng)導(dǎo)先后多次前往錦屏山隧道考察，并與二灘公司進(jìn)行溝通和探討。2009年5月8日，我校與二灘公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，決定在錦屏山隧道建設(shè)我國第一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室。 從去年8月確定實(shí)驗(yàn)室選址，到今年1月完成全部巖石挖掘工作，再到6月完成實(shí)驗(yàn)室配套工程建設(shè)，在我校和二灘公司的密切合作與共同努力下，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)工作迅速而有條不紊地推進(jìn)著。12月12日，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室投入使用儀式在四川雅礱江錦屏水電站隆重舉行，標(biāo)志著這個(gè)世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室、也是我國首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室正式啟用。 為了揭開現(xiàn)代物理學(xué)“烏云”之謎 歐洲物理學(xué)家在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)曾說，物理學(xué)美麗而晴朗的天空被“兩朵烏云”籠罩了。而對(duì)這“兩朵烏云”的探究，使得量子論和相對(duì)論被發(fā)現(xiàn)，為物理學(xué)研究帶來革命性的變革，極大地推進(jìn)了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 如今，在21世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)的晴朗天空中也有著“兩朵烏云”———暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)和暗能量這“兩朵烏云”之謎，將可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命，促成人類對(duì)物質(zhì)世界和宇宙認(rèn)識(shí)的又一次重大飛躍。 暗物質(zhì)是指那些基本不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知它的存在?，F(xiàn)代天文學(xué)研究表明：構(gòu)成宇宙質(zhì)量的主要成分是暗能量，約占宇宙總質(zhì)量的73%。但是人類對(duì)暗能量基本沒有太多認(rèn)識(shí)，目前也沒有比較成熟的理論加以描述。宇宙其余質(zhì)量部分則由物質(zhì)構(gòu)成，其中發(fā)光物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的4%，對(duì)于這部分物質(zhì)，人類已經(jīng)有了較為廣泛和深入的了解，基本可以由粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型來描述。而對(duì)于占宇宙總質(zhì)量約23%的暗物質(zhì)，目前人類的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 我校副校長、暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人康克軍介紹說，由于暗物質(zhì)粒子與探測(cè)器發(fā)生相互作用的幾率非常小，因此開展探測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要將大量的背景信號(hào)去掉，才可能測(cè)量到真正的暗物質(zhì)。在這些需要去掉的背景信號(hào)中，有很多是由宇宙線引起的，高能量的宇宙線可以穿透地面到達(dá)很深的地下。因此，暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)需要將探測(cè)器放置在很深的地下實(shí)驗(yàn)室里，利用巨大的山體巖石或地表土壤將宇宙線的通量盡可能降低?？梢哉f，極深地下實(shí)驗(yàn)室是開展暗物質(zhì)直接探測(cè)工作的必要場(chǎng)所。 在國際上，美國、英國、法國、意大利、加拿大、日本等許多國家都已經(jīng)建立起地下實(shí)驗(yàn)室。正因如此，長期從事暗物質(zhì)探測(cè)研究、卻一直苦于國內(nèi)沒有很好的地下實(shí)驗(yàn)室的岳騫，才會(huì)在看到錦屏山隧道貫通的消息時(shí)顯得格外激動(dòng)。 十年漫漫探尋路 從2000年我校開始參與暗物質(zhì)研究算起，已經(jīng)有十年的時(shí)間了。這十年間，在國內(nèi)尋找合適的地下實(shí)驗(yàn)室的努力一直沒有間斷。 沒有地下實(shí)驗(yàn)室，許多相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究就無法開展。為了繼續(xù)暗物質(zhì)的探測(cè)研究，2002年，我校研究人員開始參與到韓國地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中。這個(gè)位于韓國襄陽（Y2L）的地下實(shí)驗(yàn)室建在一座抽水蓄能電站地下廠房附近的隧道中，約有700米深，在地下實(shí)驗(yàn)室中屬于比較淺的，而且實(shí)驗(yàn)室地處荒山野嶺，周圍幾乎沒有人居住，條件非常艱苦。 在這種情況下，我校研究人員一方面協(xié)助韓國同行利用碘化銫探測(cè)暗物質(zhì)，另一方面也在2003年提出了利用高純鍺探測(cè)暗物質(zhì)的研究計(jì)劃。他們?cè)谡{(diào)研中發(fā)現(xiàn)，國際上的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)幾乎都集中在高質(zhì)量區(qū)，而理論分析顯示，暗物質(zhì)的質(zhì)量分布是非常寬的。研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器的能量閾值不夠低是限制暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)向低能量區(qū)發(fā)展的主要原因，于是他們制定了利用低能量閾值的探測(cè)器測(cè)量低質(zhì)量區(qū)間暗物質(zhì)的研究計(jì)劃，這一研究成果于2004年發(fā)表在《高能物理與核物理》雜志上。 與此同時(shí)，大家也一直沒有放棄在國內(nèi)尋找適合建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室的地點(diǎn)的努力。“河北的峪耳崖金礦，還有北京、東北的一些煤礦，我都打電話去問過。雖然有些礦很深，但條件都太差，沒有穩(wěn)定的電力、網(wǎng)絡(luò)和潔凈的空氣系統(tǒng)等等，這些都使得基本的實(shí)驗(yàn)條件無法得到保障，甚至有些連生活條件都不具備，所以這件事情一直進(jìn)展很慢?！睂?duì)此，岳騫深感無奈。 實(shí)際上，國內(nèi)一些相關(guān)研究領(lǐng)域的科學(xué)家們很早就開始尋找合適的地下實(shí)驗(yàn)室了。因?yàn)榈叵聦?shí)驗(yàn)室不僅是開展暗物質(zhì)研究的重要場(chǎng)所，也是粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域一系列重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場(chǎng)所，還是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等學(xué)科開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的重要環(huán)境和低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測(cè)的良好環(huán)境。我校副校長、中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任程建平一直非常關(guān)注國內(nèi)地下實(shí)驗(yàn)室的尋找建設(shè)情況，他介紹說：“好的地下實(shí)驗(yàn)室，特別是極深地下實(shí)驗(yàn)室可以提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái)，是一個(gè)國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施?！?/p> 經(jīng)歷了十余年艱苦的探尋，機(jī)會(huì)終于到來。二灘公司為建設(shè)大型水電站而修建的兩條交通隧道全線貫通，隧道全長17.5公里，巖石覆蓋厚度大于1500米的部分超過70%，其中垂直巖石覆蓋最深的地方達(dá)2400米，這是非常理想的極深地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)場(chǎng)所。 清華精神 二灘速度 2009年2月新學(xué)期開學(xué)的第一天，程建平帶領(lǐng)我校研究人員前往四川，開始就建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室的事宜與二灘公司協(xié)商。當(dāng)了解到想在錦屏山隧道建設(shè)實(shí)驗(yàn)室并從事研究工作的是清華工物系的老師們，二灘公司方面的第一反應(yīng)就是 “這是做核實(shí)驗(yàn)，不僅可能耽誤水電站建設(shè)工期，而且可能存在危險(xiǎn)的輻射和涉及國家安全問題，很困難”。 在進(jìn)一步的接觸和溝通中，學(xué)校方面詳細(xì)地向二灘公司解釋了暗物質(zhì)探測(cè)研究的基礎(chǔ)前沿屬性和重大意義，消除了他們的誤解和疑慮，建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室的想法得到二灘公司的高度重視和大力支持。 長期以來，我國高校和企業(yè)的科研合作多集中在可以產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用研究領(lǐng)域，而基礎(chǔ)研究領(lǐng)域普遍存在著資金短缺的現(xiàn)象。程建平強(qiáng)調(diào)：“以國家現(xiàn)階段的國力和財(cái)力，不可能投入那么大的資金到基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，在這種情況下，企業(yè)、社會(huì)等各方面如果能夠?qū)A(chǔ)研究有所支持的話，將對(duì)我國基礎(chǔ)研究的發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用。二灘公司與清華的合作，開創(chuàng)了企業(yè)支持高校開展基礎(chǔ)研究的新模式?！?/p> 在雙方領(lǐng)導(dǎo)的高度重視下，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作迅速推進(jìn)。2009年8月，實(shí)驗(yàn)室地址確定。地質(zhì)構(gòu)造和巖石取樣分析結(jié)果表明，所選地點(diǎn)周圍巖石整體由大理巖構(gòu)成，其天然放射性雜質(zhì)含量非常低，一些主要巖石放射性核素含量低于北京地表正常環(huán)境水平的約幾十分之一到幾百分之一，是一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 為了不影響整體工期，在二灘公司的協(xié)助下，所有參與實(shí)驗(yàn)室挖掘工作的施工人員都加班加點(diǎn)，終于在今年1月完成了全部的巖石挖掘工作。6月，所有實(shí)驗(yàn)室配套工程完工并通過評(píng)審和驗(yàn)收，標(biāo)志著中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式建成。相比之下，美國在2008年決定投資6億多美元建設(shè)深達(dá)2300米的杜賽爾（DUSEL）地下實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)在2018年才能建成。我校與二灘公司以實(shí)干的精神、密切的配合和高效的工作，在如此短的時(shí)間內(nèi)完成地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，創(chuàng)造了 “清華精神、二灘速度”的奇跡。 建成的地下實(shí)驗(yàn)室位于錦屏交通隧道中部，空間容積約4000立方米，包括入口隧道、連接隧道和主實(shí)驗(yàn)廳三部分，其中主實(shí)驗(yàn)廳長約40米，寬約6.5米，高度為7.5米。主實(shí)驗(yàn)廳恒溫恒濕，達(dá)到10萬級(jí)空氣凈化要求，分為暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)、低本底測(cè)量實(shí)驗(yàn)區(qū)、電子學(xué)與信號(hào)系統(tǒng)工作區(qū)。 同時(shí)，在位于隧道東端出口的監(jiān)控樓里，還有一個(gè)洞口實(shí)驗(yàn)室用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通訊，實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)，實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備與實(shí)驗(yàn)人員居住等。洞口實(shí)驗(yàn)室采用專用的光纖網(wǎng)絡(luò)與地下實(shí)驗(yàn)室相聯(lián)，采集并存貯地下實(shí)驗(yàn)室各類設(shè)備信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過視頻系統(tǒng)監(jiān)控地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。平時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員可以在洞口實(shí)驗(yàn)室工作和生活，在調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)下到地下實(shí)驗(yàn)室中。而在洞口實(shí)驗(yàn)室與我校工物系的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心之間，通過電信專線建立了數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，可以記錄、存貯和管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按照實(shí)驗(yàn)合作研究的要求與國內(nèi)外合作單位共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 評(píng)價(jià)地下實(shí)驗(yàn)室性能的最重要參數(shù)就是宇宙線通量水平。根據(jù)初步模擬和測(cè)量，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的宇宙線通量約為每年每平方米小于100個(gè)宇宙線的水平，約為地面水平的億分之一，是非?！案蓛簟钡膶?shí)驗(yàn)環(huán)境。此外，實(shí)驗(yàn)室可以開車直達(dá)，比在礦井中建設(shè)的地下實(shí)驗(yàn)室交通更為便捷，錦屏隧道周圍的配套工作生活設(shè)施完善，這些因素使得中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可以稱得上是國際上綜合條件最好的極深地下實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。 推動(dòng)重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究 如今，由我校副校長康克軍擔(dān)任首席科學(xué)家，清華大學(xué)、四川大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、南開大學(xué)和二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司等單位參與的中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組已將一組高純鍺探測(cè)器安裝在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室中，并啟動(dòng)10kg高純鍺陣列探測(cè)器開展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的研究計(jì)劃。中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組采用的高純鍺探測(cè)器由純度高達(dá)99.9999999999%（簡(jiǎn)稱12個(gè)9）的高純鍺晶體制成，是目前人類可以得到的純度最高的晶體材料，預(yù)期首先在較低質(zhì)量區(qū)間得到國際一流的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并為開展未來噸量級(jí)高純鍺測(cè)量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。 與此同時(shí)，中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)合作組還開展了高純鍺探測(cè)器的自主研制計(jì)劃，自主研制高純鍺探測(cè)器可以大幅降低高純鍺探測(cè)器的制造成本，有利于開展自主噸量級(jí)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究并推動(dòng)我國先進(jìn)半導(dǎo)體探測(cè)器的研制。康克軍強(qiáng)調(diào)：“開展高純鍺探測(cè)器的自主創(chuàng)新研究可以提升我國高端產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，也能夠促進(jìn)暗物質(zhì)等重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究?！?/p> 地下實(shí)驗(yàn)室作為低宇宙線強(qiáng)度、低輻射本底的特殊環(huán)境，還可以建設(shè)超低本底放射性核素活度的測(cè)量平臺(tái)，為我國的核輻射防護(hù)、國土海洋放射性水平普查、超純材料研制等方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)性測(cè)試平臺(tái)。 除此之外，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室還可以開展宇宙線通量、環(huán)境本底、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的深入研究，為我國未來建設(shè)國家級(jí)的大型極深地下科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室奠定堅(jiān)實(shí)的工作基礎(chǔ)。 綜合來看，地下實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施，為國家提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究平臺(tái)。中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建成啟用，標(biāo)志著我國已經(jīng)具備開展物理學(xué)重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究的自主地下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于推動(dòng)我國重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究意義重大。 來源：新清華
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