深入地下2400米的实验室能干啥


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我们的记者盛丽

亚龙河是金沙江最大的支流,起源于青海省巴彦卡拉山南麓。它来自西北到东南。亚龙河跑到四川凉山州时,汹涌的亚龙河锦屏山的床上用品拦截了目的地,河水被迫转弯,形成了一条150公里长的河流。目前,世界上最深的地下实验室“中国锦屏地下实验室”隐藏在雅River江锦屏山2400米的地下。目前,实验室已进入第二阶段的建设。

世界上最深的地下实验室进行的前沿物理实验是什么?将如何进行即将发现的暗物质,中微子双β衰变实验和核天体物理学的实验?日前,“科技日报”记者采访了相关专家。

探索暗物质“阴影”

清华大学工程物理系教授岳宇表示,暗物质是一种既不发光也不吸收或反射光的物质,占宇宙总质量的80%至90%。国际暗物质检测研究主要包括三种研究方法:直接检测,间接检测和加速器生成。其中,暗物质的直接检测是暗物质检测最直接,最准确的手段。

在暗物质的直接检测中,世界上有两种一般类型的实验:第一种是高于10千兆电子伏特的重质量暗物质的实验,其代表是基于气液两相直接检测实验。在惰性元素氦或氩气上。例如,美国的LZ,欧洲的XENON,上海交通大学领导的PandaX液氦实验组,以及美国的DarkSide液氩暗物质实验组。这类实验的最大特点是探测器单体质量高(已达到数吨,未来计划达到数十吨),背景水平低,对重质和暗色物质具有出色的检测灵敏度。第二类是针对直接检测低于10千兆电子伏特的轻质暗物质的实验。其代表是超低温电能表实验和点电极的高纯度焓实验。超低温电能表实验的典型案例是基于美国领导的极低温焓能技术的SuperCDMS实验,以及欧洲主导的超低温CaWO4。能源技术的CRESST实验;典型的点电极高纯焓实验是基于清华大学领导的阵列型点电极高纯锗探测器技术的CDEX实验。

岳宇说,在锦屏地下实验室,由清华大学领导的CDEX实验合作小组将在一个体积约1,700立方米的大型液氮恒温器中使用10兆位兆能量探测器,能量阈值极低。直接检测低于电子伏特的光和暗物质粒子。暗物质粒子与探测器中的氦核碰撞,探测器记录反冲核的能量。经过几个月到几年的实验数据积累,我们可以在高纯度锗探测器中获得暗物质粒子。寻找暗物质粒子甚至其性质的能谱。

与此同时,由上海交通大学牵头的熊猫X实验合作小组将使用气液两相探测器直接探测体积约为4,500立方米的纯池中10 GV以上的重质暗物质颗粒。

确定中微子质量测序

核中的两个中子衰变为两个质子称为双β衰变。双β衰变过程发射出两个β粒子,伴随着两个中微子的产生,这已经通过实验证实。无中微子双β衰变指的是没有伴随中微子的双β衰变过程。可以通过查找中微子是否是自己的反粒子并对三个中微子质量进行分类来判断。

清华大学工程物理系副教授马浩表示,中微子双β衰变实验主要包括基于锗-76的高纯度实验,如欧洲的GERDA,美国的Majorana。和清华大学领导的CDEX实验;基于氙-136液氦或气体焓实验,如欧洲的NEXT,美国的nEXO,以及上海交通大学领导的PandaX实验;基于碲-130的极低温实验。

“目前,国际竞争非常激烈。未来五到十年,将开展大规模中微子双β衰变实验装置的研究,以确定中微子质量的关键时期。测序“。马浩说,GERDA,Majorana和中国的CDEX等LEGEND合作小组为未来的高纯度双倍β衰变实验共同创立了开展高纯度锗探测器技术和铯材料同位素净化工作的推广下一次大规模的国际合作。目前,加拿大雪雕实验室和中国锦屏地下实验室的岩石覆盖深度可以更好地满足LEGEND实验的宇宙射线背景要求。这个大型国际前沿研究项目预计将落户锦屏。此外,上海交通大学与国内外科学家共同开展了高压气体焓测量双β衰变实验的重点研究;复旦大学研究小组计划使用钼酸锂基钼酸锂探测器进行研究;华中师范大学研究团队计划使用基于硒-82同位素的六氟化六氟化物时间投影室探测器进行研究。

与此同时,地下实验室也将在核天体物理学研究中发挥作用。

“核天体物理学是一门关于核物理与天体物理学融合的跨学科研究。它主要研究宇宙中各种化学元素的起源以及核过程如何控制恒星的演化和终结。”马浩说,在意大利,Gran Sasso地下实验室的LUNA实验组使用静电加速器重现实验室内恒星内部发生的反应,并在质子 - 质子链中关键反应部分的测量中取得了显着成果。反应和碳氮循环。英国Boulby地下实验室提出了ELENA计划,用于建造一个3兆电子伏特静电加速器;西班牙LSC地下实验室介绍了CUNA核天体物理学计划。在中国,由中国原子能科学研究院牵头的JUNA实验小组计划在金平地下实验室第二阶段重现和研究恒星演化过程中的核过程以及如何合成宇宙中较重的化学元素。加速器装置参数优于LUNA实验,可直接测量LUNA无法完成的核天体物理学中的一系列重要反应,并将测量能量范围推进到天体物理能量区域,并期望更好的测量精度。

(编者:HN666)