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入地2400米建暗物質實驗室!極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施啟動

7月
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2019

2019年7月22日23時 人民日報政文

人民日報政文

極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施

首個由清華大學作為獨立法人單位承擔的國家重大科技基礎設施——「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」日前在四川省雅礱江錦屏山隧道啟動。這標誌著中國首個、世界最深的極深地下實驗室——「中國錦屏地下實驗室」進入加快建設新階段。

啟動儀式在錦屏山隧道口舉行

「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」項目面向超越當前粒子物理標準模型的新粒子和新物理的重大基礎前沿研究,開展暗物質直接探測實驗、無中微子雙貝塔衰變實驗,以及核天體物理領域關鍵核素合成過程和恆星演化等基礎科學前沿研究,探究極深地下近零宇宙射線本底條件下各類基礎前沿領域探測新機理、新方法、新技術,發展極低輻射本底屏蔽新方法與新技術,為我國粒子物理和核物理領域的重大基礎前沿物理問題研究提供平台支撐。

據介紹,項目建設完成後將具備國際領先的深地物理實驗綜合條件,有望成為世界深地物理實驗的中心,推動我國開展國際級大科學合作,吸引國內外頂尖學者前往開展前沿物理實驗,為取得重大物理突破提供基礎設施保障。

同時,該項目將提供一個近零宇宙線本底的地下輻射計量平台,可以解決極弱放射性基準測量和低劑量率刻度的難題,為我國建設完善的輻射計量基準提供實施條件,推動海洋科學、材料科學、環境科學、生物學等交叉領域的研究,為這些學科領域提供一個國際一流的極低本底交叉創新平台。

採訪中,記者了解到,現代物理學的重大突破常常需要極端實驗條件,極深地下實驗室就是開展粒子物理與核物理、天體物理學及宇宙學等領域重大基礎前沿物理實驗研究的重要設施。

2009年

清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司(原二灘水電開發有限責任公司)合作,在錦屏山隧道中間位置的地下2400米處修建極深地下實驗室。

2010年底

「中國錦屏地下實驗室」建成投入使用,成為我國首個、也是全球最深的地下實驗室。

2014年

清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署協議,共同建設「中國錦屏地下實驗室」二期工程,將地下可用實驗空間由原來的4000立方米增加到30萬立方米。

與國際上其他的地下實驗室相比,中國錦屏地下實驗室岩石覆蓋最深、宇宙線通量最小、可用空間最大,並且具備交通便捷、電力及水源充足、基礎設施完備等優勢。

自中國錦屏地下實驗室一期建成投入使用以來,已經開展了清華大學主導的高純鍺直接探測合作組(CDEX)、上海交通大學主導的液氙直接探測合作組(PandaX)等暗物質直接探測實驗,以及清華大學主導的錦屏中微子實驗等,取得了一系列研究成果,在較短的時間內使我國暗物質直接探測實驗從無到有,研究水平達到國際先進,由「跟跑」變成「並跑」。

2013年,清華大學領導的CDEX合作組在國際上發表了中國第一個自主暗物質研究成果,研究水平達到國際第一陣營。2014年,合作組又獲得了10GeV以下能區里同類探測器最靈敏的實驗結果,確定性地排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質存在區域。2018年CDEX合作組發表了4-5GeV能量區間當時國際最好的暗物質探測靈敏度實驗結果。

如今,CDEX合作組的有效實驗數據積累已超過4年,開展了年度調製、暗物質軸子、暗光子等多個通道物理分析,不僅在暗物質研究方面取得了國際先進水平的成果,還在高純鍺探測器自主研製、自主低溫低本底前端電子學研製等核心技術方面取得重要突破。2018年,CDEX合作組自主研製的世界第一個低閾值低本底的配置金屬氧化物集成電路前放的點電極高純鍺探測器(ASIC-PPCGe),能量解析度達到商業探測器水平,而且測量到了低能區Ge-68宇生X射線,展現了低本底測量能力。

圖為揭牌現場

未來,合作組將建設100公斤至噸量級的鍺-76同位素豐度達85%以上的富集高純鍺陣列探測器系統,將探測靈敏度再提升兩到三個量級,可以同時測量暗物質和無中微子雙貝塔衰變兩個重大前沿科學問題研究。

在國際合作方面,CDEX合作組參與了由中國、美國、歐洲等地區的40多所大學和研究機構的數百位科學家組成LEGEND合作組工作,獨立提出並推動了基於LEGEND框架的噸量級高純鍺無中微子雙貝塔衰變實驗方案。

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