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這項(xiàng)深居地下2400米的隱蔽工程,正在時(shí)刻尋找宇宙中最“弱”的光

 skysun000001 2022-09-15 發(fā)布于北京

“我們生活在一個(gè)暗物質(zhì)海洋中,但我們對(duì)它可能是什么知之甚少?!?/span>

這種占宇宙質(zhì)量80%以上的神秘物質(zhì)讓宇宙學(xué)家興奮難耐、神往不已,“它們可能比我們?nèi)祟?lèi)想象的更加神奇。”

在四川涼山彝族自治州,垂直巖石覆蓋厚度2400米的地下,我國(guó)科學(xué)家正在時(shí)刻尋找這束宇宙中最“弱”的光——暗物質(zhì)。一種“看不見(jiàn)”,但又無(wú)處不在,在宇宙的形成和演化過(guò)程中發(fā)揮著極其重要作用的物質(zhì)。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室,作為“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目,是國(guó)內(nèi)第一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室,也是國(guó)際上第一次大規(guī)模建設(shè)具有極低輻射本底極端條件的前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

世界最深,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)車(chē)直入,綜合條件世界一流,為我國(guó)開(kāi)展自主暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究及其它低本底實(shí)驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ),將極大推動(dòng)我國(guó)粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)、宇宙學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿課題的開(kāi)展,對(duì)于加快創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)、世界科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)意義重大,備受各方關(guān)注。

國(guó)際著名的《科學(xué)》(Science), 《今日物理》(Physics Today)雜志也對(duì)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)給予了高度關(guān)注和報(bào)道。

文丨李亞飛 瞭望智庫(kù)觀察員
本文為瞭望智庫(kù)原創(chuàng)文章,如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)?jiān)谖那白⒚鱽?lái)源瞭望智庫(kù)(zhczyj)及作者信息,否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任。

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中國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室


地下實(shí)驗(yàn)室尤其是極深地下實(shí)驗(yàn)室,是開(kāi)展粒子物理與核物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域的暗物質(zhì)探測(cè)研究、中微子物理實(shí)驗(yàn)研究等一些重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場(chǎng)所,是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等學(xué)科開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的重要環(huán)境,也是低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測(cè)的良好環(huán)境。

地下實(shí)驗(yàn)室為國(guó)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),是一個(gè)國(guó)家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施,建設(shè)和發(fā)展極深地下實(shí)驗(yàn)室具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、加拿大、日本等許多國(guó)家都已經(jīng)建立起地下實(shí)驗(yàn)室。中國(guó)此前一直沒(méi)有很好的地下實(shí)驗(yàn)室,特別是極深地下實(shí)驗(yàn)室,許多相關(guān)領(lǐng)域的研究工作無(wú)法開(kāi)展或只能與國(guó)外有條件的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)展。

地下實(shí)驗(yàn)室主要是用來(lái)屏蔽高能宇宙線(xiàn)對(duì)于暗物質(zhì)、雙貝塔衰變以及中微子實(shí)驗(yàn)的本底影響。

評(píng)價(jià)一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室性能的最重要的參數(shù)之一就是宇宙線(xiàn)通量水平。

2009年5月,清華大學(xué)與二灘公司(2012年改名為中國(guó)雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司)簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,決定利用錦屏山隧道垂直巖石覆蓋厚度大,圍巖放射性含量極低,能為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供“干凈”實(shí)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)勢(shì),建設(shè)中國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室。

初步測(cè)量顯示,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)⒂钪婢€(xiàn)通量降到地面水平的約億分之一。

圖片

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期(CJPL-I),引自清華大學(xué)工程物理系網(wǎng)站。

作為中國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室2010年12月在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用,這個(gè)世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室的啟用標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)擁有開(kāi)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)。

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找到暗物質(zhì)對(duì)人類(lèi)意味著什么


“暗物質(zhì),通俗地講就是那些既不發(fā)射光,也不吸收和反射光的物質(zhì)。由于暗物質(zhì)還是屬于物質(zhì)范疇,因此和普通物質(zhì)一樣,具有引力效應(yīng)。研究和理解暗物質(zhì)的本質(zhì)將會(huì)影響和改變?nèi)祟?lèi)對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)?!?/strong>

接受媒體采訪(fǎng)時(shí),錦屏實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)雙聘教授程建平表示,暗物質(zhì)問(wèn)題是由瑞士科學(xué)家茲維基在1933年解釋天文觀測(cè)的一些新現(xiàn)象時(shí)提出的。暗物質(zhì)存在的多個(gè)科學(xué)證據(jù)都是由天文觀測(cè)給出的。科學(xué)家根據(jù)天文觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果得出暗物質(zhì)質(zhì)量約占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的80%~90%,而且分布在宇宙的各個(gè)角落?!澳敲?,如此巨大的宇宙物質(zhì)質(zhì)量,必定在物質(zhì)起源和宇宙演化過(guò)程中具有重要的地位?!?/strong>

圖片

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期(CJPL-II),引自清華大學(xué)工程物理系網(wǎng)站。

程建平介紹,暗物質(zhì)理論的正確性需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)前主要的暗物質(zhì)理論模型和候選粒子,暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)方法主要分成直接探測(cè)、間接探測(cè)和加速器實(shí)驗(yàn)三大類(lèi)。

無(wú)論哪一種探測(cè)方式,現(xiàn)代物理學(xué)的重大突破常常需要極端實(shí)驗(yàn)條件,極深地下實(shí)驗(yàn)室就是開(kāi)展粒子物理與核物理、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿物理實(shí)驗(yàn)研究的重要設(shè)施。但在2009年之前,中國(guó)并沒(méi)有自己的地下實(shí)驗(yàn)室,許多相關(guān)研究無(wú)法進(jìn)行,或者只能跟國(guó)外開(kāi)展合作。

2010年年底,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成投入使用,成為我國(guó)首個(gè)、也是全球最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

為更好地開(kāi)展核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)直接測(cè)量研究,中國(guó)原子能科學(xué)研究院聯(lián)合中科院近代物理研究所、北京師范大學(xué)等,在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室完成深地加速器安裝運(yùn)行。

2020年12月26日,強(qiáng)流加速器在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室成功出束,成為世界上最強(qiáng)流深地加速器。

一年后,建立在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的我國(guó)首個(gè)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目JUNA (Jingping Underground Nuclear Astrophysics) ——錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)發(fā)布首批實(shí)驗(yàn)成果。

首批發(fā)布的4個(gè)核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)量靈敏度和統(tǒng)計(jì)精度均高于國(guó)際同類(lèi)裝置水平,達(dá)到國(guó)際核天體物理直接測(cè)量的最大曝光量、最寬能量范圍和最高靈敏度。至此,我國(guó)成為世界上第三個(gè)具備開(kāi)展深地核天體物理研究的國(guó)家。

成果一:25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)取得國(guó)際最高精度測(cè)量。

上世紀(jì)80年代天文觀測(cè)在銀河系星際介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)大量26Al,含量約為3倍太陽(yáng)質(zhì)量。而26Al壽命不到100萬(wàn)年,早期產(chǎn)生的26Al已經(jīng)消亡殆盡,銀河系中如此多的26Al的來(lái)源成為天體物理關(guān)注熱點(diǎn)。

25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)是恒星中產(chǎn)生26Al的關(guān)鍵反應(yīng)。25Mg(p,γ)26Al作為產(chǎn)生26Al的關(guān)鍵反應(yīng)對(duì)解釋26Al的來(lái)源問(wèn)題具有重要意義。JUNA實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了該反應(yīng)中起決定作用的92keV共振國(guó)際最高精度測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《科學(xué)通報(bào)》封面成果發(fā)表。

成果二:19F(p,αγ)16O取得國(guó)際最精確反應(yīng)率數(shù)據(jù)。

19F(p,αγ)16O是AGB星演化中的關(guān)鍵問(wèn)題。目前天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)AGB星中存在氟超豐現(xiàn)象,氟的豐度比太陽(yáng)系要高幾十甚至上百倍,標(biāo)準(zhǔn)恒星模型無(wú)法解釋這種現(xiàn)象。19F(p,αγ)16O反應(yīng)的精確測(cè)量將有助于解決氟超豐問(wèn)題。JUNA的實(shí)驗(yàn)首次將測(cè)量范圍拓展到天體物理能區(qū),取得了國(guó)際上最精確的反應(yīng)率數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)研究成果發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》并獲編輯推薦。

成果三:13C(α,n)16O反應(yīng)首次完整覆蓋天體物理i-過(guò)程能區(qū)。

13C(α,n)16O反應(yīng)是重要的中子源反應(yīng)。比鐵重的元素如何合成一直是核天體物理的最重要問(wèn)題,現(xiàn)在知道大約有一半比鐵重的元素是通過(guò)慢速中子俘獲過(guò)程(s過(guò)程)形成。這一過(guò)程中的原料中子就是由13C(α,n)16O反應(yīng)提供的。該反應(yīng)的精確測(cè)量對(duì)于理解重元素的合成具有重要意義。JUNA實(shí)驗(yàn)測(cè)量的能量范圍首次完整覆蓋天體物理i-過(guò)程能區(qū),澄清了過(guò)去直接測(cè)量數(shù)據(jù)3倍的分歧。

成果四:12C(α, γ)16O反應(yīng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)國(guó)際最高靈敏度。

12C(α,γ)16O反應(yīng)是核天體物理實(shí)驗(yàn)中最重要的反應(yīng),被譽(yù)為核天體物理的“圣杯”。一方面是由于該反應(yīng)的重要性:直接決定了組成生命最重要的兩種元素;碳和氧在宇宙中的比例;對(duì)上至鈾的幾乎所有核素的豐度都有重要的影響;決定了大質(zhì)量恒星演化的最終命運(yùn)。另一方面是因?yàn)樵摲磻?yīng)機(jī)制復(fù)雜,截面極低,實(shí)驗(yàn)測(cè)量非常困難。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)測(cè)量達(dá)到了國(guó)際最低能量,接近了天體物理能區(qū),并且實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)測(cè)量的最高靈敏度,向摘取“圣杯”跨出重要一步。

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對(duì)防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量要求極高


中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)也是國(guó)際上第一次大規(guī)模建設(shè)具有極低輻射本底的前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施,對(duì)加快創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)、世界科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)意義重大,在國(guó)內(nèi)、國(guó)際上都具有重要影響力,并且建成后要申報(bào)國(guó)家優(yōu)質(zhì)工程金獎(jiǎng)。

“也正是如此,其對(duì)質(zhì)量要求極高,防護(hù)系統(tǒng)在全壽命周期都不能出現(xiàn)任何滲漏?!?/p>

大禹偉業(yè)(北京)國(guó)際科技有限公司承擔(dān)了中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的防水工程任務(wù)。董事長(zhǎng)很清楚其中難度,堪稱(chēng)一場(chǎng)艱苦卓絕的技術(shù)攻堅(jiān)。

其一,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室位于四川省雅礱江錦屏山隧道中間位置,雅礱江干流之上。雅礱江徑流的一半由降水形成,每年汛期為6-9月,富水地質(zhì)加多雨氣候,巖體內(nèi)陸下水量大、水壓高,防水工程任務(wù)重、難度大。

圖片

錦屏隧道地理位置圖,引自中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站。

其二,地下實(shí)驗(yàn)室使用周期長(zhǎng),至少50年。

由于該工程為隱蔽工程,一旦滲漏無(wú)法維修,所以要求至少50年內(nèi)都不能滲漏,這就對(duì)防護(hù)材料尤其是關(guān)鍵主材(噴涂速凝液體橡膠防水涂料)的耐老化性能提出要求,關(guān)鍵主材人工加速耐老化實(shí)驗(yàn)時(shí)間至少要達(dá)到5000小時(shí)。

其三,項(xiàng)目所處地理位置特殊,水量大、水壓高,施工環(huán)境復(fù)雜,對(duì)材料性能要求極高。

地下實(shí)驗(yàn)室位于雅礱江干流之上的錦屏山隧道內(nèi),巖石覆蓋厚度達(dá)到2400米,富水地質(zhì)加多雨氣候,巖體內(nèi)陸下水量大、水壓高,滲透性強(qiáng),水流方向不固定、不規(guī)則,對(duì)材料性能要求極高。

其四,實(shí)驗(yàn)室防水、抑氡是重點(diǎn)。

地下室實(shí)驗(yàn)室周邊地理環(huán)境,巖層覆蓋深度,雖然對(duì)實(shí)驗(yàn)室探測(cè)暗物質(zhì)數(shù)據(jù)有利,但是要保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,實(shí)驗(yàn)室防護(hù)不僅要防水,更要抑氡。

2400米的山體可以阻擋大部分宇宙射線(xiàn),但山體內(nèi)部巖層、土壤析出的氡及同位素等對(duì)探測(cè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)具有很大的影響,實(shí)驗(yàn)室防水材料性能不僅要具有防水功能,還要具備優(yōu)異的防漏氣性能。

其五,施工工藝復(fù)雜,異形結(jié)構(gòu)工序多,節(jié)點(diǎn)處理難點(diǎn)多,難度大。

采用防排一體化工藝,異型結(jié)構(gòu)工序繁多,且整個(gè)工程包含防水錨桿及埋件錨桿共計(jì)81403個(gè),埋件及地腳螺栓共計(jì)5104個(gè),節(jié)點(diǎn)處理至關(guān)重要,稍有不慎,就會(huì)成為滲漏隱患,使整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)失效。

其六,施工難度較大,對(duì)專(zhuān)業(yè)性要求強(qiáng)。

由于洞體巖石層結(jié)構(gòu)凹凸不平,異型節(jié)點(diǎn)較多,整體噴涂工作面復(fù)雜,對(duì)噴涂專(zhuān)業(yè)性要求很高:如噴槍距離基面的高度、角度,噴涂方向、速度等都會(huì)對(duì)防水涂膜質(zhì)量產(chǎn)生影響,必須要求有100萬(wàn)平方米以上噴涂經(jīng)驗(yàn)的噴槍手,保證涂膜的均勻性和致密性,避免出現(xiàn)砂眼、蜂窩、脫層、分層等情況。

如果噴涂技能不達(dá)標(biāo),防水涂膜一旦造成缺陷,存在滲漏風(fēng)險(xiǎn),將給實(shí)驗(yàn)室科研工作帶來(lái)不可估量的損失。

針對(duì)項(xiàng)目施工的復(fù)雜度,項(xiàng)目甲方、總包、大禹偉業(yè)在前期試驗(yàn)段施工中,不斷探索、研究最優(yōu)、最保險(xiǎn)方案。

其中,大禹偉業(yè)依據(jù)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)、研發(fā)能力及多年隧道施工經(jīng)驗(yàn),為暗物質(zhì)項(xiàng)目防水、抑氡技術(shù)提供了專(zhuān)業(yè)、寶貴的技術(shù)建議,為實(shí)驗(yàn)室整體防護(hù)長(zhǎng)期有效提供了可靠的保障。

在項(xiàng)目整體施工中,大禹偉業(yè)憑借多年施工專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)驗(yàn),規(guī)范化組織,專(zhuān)業(yè)、高效施工。

一方面,采用防排結(jié)合設(shè)計(jì),在初襯上安裝排水板,結(jié)合液體橡膠形成的完整密閉防水層,可使巖壁上的明水從排水溝排走,減少防水層靜水壓,保障防水效果。

另一方面,液體橡膠滿(mǎn)噴整個(gè)隧道襯砌和底板,形成完整無(wú)縫、全封閉的防水層。防水層完整包裹住整個(gè)隧道,且和后道噴射混凝土之間形成滿(mǎn)粘,有效避免了竄水滲漏。

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