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科技日报社何沛苁:从曾经挤在拐角的一平米 到现在我们有了世界最深的地下实验室

时间:2024-08-28人气: 作者: 小编

  球速体育官方网站大家好,我是科技日报记者何沛苁。今年是我成为记者的第14个年头,前七年,我主要跑民生新闻和主题报道。第一次接触高科技,我记得特别清楚,是2017年的冬天,去中关村采访一家自动驾驶企业。当时我被对方抛出的一堆专有名词炸晕了:L1—L4级别、大数据、超声波雷达、深度学习……这些都是我之前听都有没有听过的词。为了不让科技报道“内行不愿看,外行看不懂”,一篇简单的通讯报道,我写了整整2天。

  之后的每一次采访,我都铆足了劲,不断充实自己的科技知识,争取问在点子上,让自己能和科研人员谈心。并且还要把一些晦涩难懂的科技知识转变成无论老人还是小孩都感兴趣、都能读懂的语言,让自己成为科研人员与公众之间的桥梁!

  2021年6月,我有幸去了世界最深、宇宙射线通量最小的地下实验室——中国锦屏地下实验室。这里的科研人员在非常努力地干一件事,就是捕捉暗物质。什么是暗物质?科研人员早就发现,如果仅存在人类已知的物质,宇宙根本不应是现在这副模样,一定有别的东西在起作用,这个未知的“东西”就是暗物质。从理论上来说,暗物质并不罕见,据估算,暗物质大约占据宇宙物质质量的85%。但是,它看不见、摸不着,几乎不和任何物体发生作用,是存在于模型中的理论推演。

  锦屏大设施科学部副主任、清华大学工程物理系副教授马豪说,“谁能率先找到暗物质,谁就能在科学上走在前头。”

  暗物质非常特别,它几乎不和任何物体发生作用,也几乎不发声。科学家需要一个足够安静的环境,屏蔽掉一切已知的噪声,再造出足够敏锐的“耳朵”,才可能在暗物质粒子迎面而来时,听到它的低吟浅唱。而屏蔽宇宙射线的最佳方式,就是将实验室建在地下。

  2000年前后,清华大学工程物理系团队开始暗物质实验研究,但当时国内并没有地下实验室,只能去韩国使用他们地下实验室的一个拐角,而这个拐角大约只有一个平方米大。之后清华大学工程物理系团队开始在全国寻找深地实验室的合适地址。

  发现地址的源头其实带点戏剧性,电视上,只是一条滚动而过的字幕新闻被清华大学的老师看到了:2008年8月8日,两条各17.5公里的锦屏山交通隧道实现双洞贯通。

  金沙江支流雅砻江奔流至木里、盐源、冕宁三县交界处,因被锦屏山阻隔,骤然掉头,拐向东北方,形成长达150公里的锦屏大河湾。锦屏一、二级电站,就分别选址在这一大河湾东西两端。连接两座电站的锦屏山交通隧道,成为这浩大水利工程的两条主动脉。

  实验室一期就建在锦屏山隧道中部。空间并不大,只有4000立方米,但填补了我国没有深地实验室的空白。经测定,锦屏地下实验室内的宇宙射线通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分之一,是目前国际上宇宙射线通量最小的地下实验室,也是全球岩石覆盖厚度最深的地下实验室。

  马老师参加了当时的开工仪式,他非常兴奋地和我说,“我们中国的科学家终于有了自己的一个实验场所,可以实现我们自己的科学梦想了!”

  2010年,中国锦屏地下实验室正式运行。率先入驻的,是清华大学牵头的盘古计划(CDEX)高纯锗暗物质实验和上海交通大学牵头的熊猫计划(PandaX)液氙暗物质实验项目。这两大项目,都是对暗物质进行直接探测,即测量暗物质粒子直接弹性碰撞普通物质引起的反冲核的数量和能量等数值。

  探测暗物质最核心的装置,是高纯锗探测器。传统高纯锗探测器及其谱仪被广泛应用于基础研究、核监测、核应急、国土安全和放射性管理等领域。但要探测暗物质,对锗的纯度要求更高。千足金叫“999”金,意思是含金量千分数不小于999。而课题组需要的锗,其纯度要达到12至13个9。当时,国内还没有制备这种大质量高纯锗晶体的能力。不过,在十余年寻找暗物质过程中,研究团队已经攻克了探测器制造技术。现在,团队已经做出商业级别的高纯锗探测器,实现了成果转化。

  CDEX合作组的高纯锗探测器,就置身于实验室白色聚乙烯伸缩门后。它身处重重保护之下:1米厚的聚乙烯材料,用来慢化和吸收中子;20厘米厚的铅层,用来屏蔽外部伽马射线厘米厚的含硼聚乙烯,可以吸收热中子;20厘米厚的高纯无氧铜,则用来屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线年,CDEX合作组发表了我国首个暗物质直接探测实验结果。2014年,给出点电极高纯锗暗物质探测方面国际最灵敏实验结果。值得一提的是,这一结果,利用相同探测技术,确定性地排除了美国CoGeNT实验组给出的暗物质存在区域。而PandaX的实验结果,曾入选2016年度《科技导报》十大科学进展和2017年度美国物理学会亮点。

  这么多年,无人知晓暗物质粒子的真身。各个暗物质探测团队,其实都在画“排除线”。所谓排除线,意思就是,这一块区域我们已经找过了,没有,可以再去别处找找。排除线画得越多,暗物质可能的藏身空间就会被收缩得越小,寻找就能更加有的放矢。

  暗物质实验取得的成果,推动了我国相关基础前沿领域迅速发展,也吸引了更多科研需求。原有的暗物质实验要升级,还有核天体物理实验、深地岩石力学实验、无中微子双贝塔衰变实验……中国科学家渴望着这样一个极深地下实验空间。

  4000立方米,显得越发捉襟见肘。2014年,锦屏地下实验室二期工程启动建设。2016年12月。基于中国锦屏地下实验室二期建设的极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施被列入“十三五”国家重大科技基础设施规划。

  从实验室一期出来,往西端走上500米左右,就到了实验室二期。它由4条子隧道构成,总容积达30万立方米,被分成8个不同的主实验厅和其他公共区域。

  马老师给我打了个比方,“如果实验室一期是一套别墅,那么实验室二期就是一个小区。”

  PandaX实验升级后的4吨量级液氙探测器就在“小区”里。上海交通大学物理与天文学院助理研究员王舟说,不管是合作还是竞争,人类都在为拓展认知边界而努力。但在他们内心,还是存着为国争光的念头。她说,“我们想在人类科学史上,留下属于中国人的一笔!”

  CDEX的实验也会升级到百公斤级甚至吨级的高纯锗阵列探测器,将探测灵敏度再提升两个数量级。在实验室二期,近八层楼高的液氮罐已矗立在基坑内。罐内,将要放入1000个高纯锗探测器。

  过去的10年里,借助锦屏实验室,我国科研人员获得了一系列国际一流水平的暗物质研究成果,实现了我国自主暗物质实验研究从无到有、从跟跑到并跑的跨越。2024年锦屏地下实验室二期建成后,我相信会有更多国际领先的实验成果,从锦屏地下实验室里不断涌现,并且都打上了我们中国人的烙印!

  在白鹤滩水电站,在上海光源,在兰州重离子加速器,我看到了无数可爱的科研人员,正是因为他们的艰辛付出,让我国的科技有了突飞猛进的发展,让中国制造变成了“中国智造”!而我,也要努力成为一位专业科技口的记者,让更多人听到我们祖国的科技最强音!

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