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这项深居地下2400米的隐蔽工程 正在时刻寻找宇宙中最“弱”

发布时间:2022-09-16 01:04:46 来源:欧宝娱乐官网app 作者:欧宝官网在线登录

  这种占宇宙质量80%以上的神秘物质让宇宙学家兴奋难耐、神往不已,“它们可能比我们人类想象的更加神

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  这种占宇宙质量80%以上的神秘物质让宇宙学家兴奋难耐、神往不已,“它们可能比我们人类想象的更加神奇。”

  在四川凉山彝族自治州,垂直岩石覆盖厚度2400米的地下,我国科学家正在时刻寻找这束宇宙中最“弱”的光——暗物质。一种“看不见”,但又无处不在,在宇宙的形成和演化过程中发挥着极其重要作用的物质。

  2014年12月24日,锦屏山隧道,中国锦屏地下实验室在隧道中部,上方是巍巍锦屏山。图|新华社

  中国锦屏地下实验室,作为“十三五”重大科技基础设施项目,是国内第一个极深地下实验室,也是国际上第一次大规模建设具有极低辐射本底极端条件的前沿物理实验设施。

  世界最深,中国锦屏地下实验室可以开车直入,综合条件世界一流,为我国开展自主暗物质探测实验研究及其它低本底实验奠定了良好基础,将极大推动我国粒子物理学、天体物理学、宇宙学等相关领域重大基础前沿课题的开展,对于加快创新型国家建设、世界科技强国建设意义重大,备受各方关注。

  国际著名的《科学》(Science), 《今日物理》(Physics Today)杂志也对中国锦屏地下实验室建设给予了高度关注和报道。

  本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

  地下实验室尤其是极深地下实验室,是开展粒子物理与核物理学、天体物理学及宇宙学等领域的暗物质探测研究、中微子物理实验研究等一些重大基础性前沿课题的重要研究场所,是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境,也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。

  地下实验室为国家提供综合性的重大基础科学和应用科学研究平台,是一个国家关键性的重大基础科学研究设施,建设和发展极深地下实验室具有重要科学意义和应用价值。

  美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等许多国家都已经建立起地下实验室。中国此前一直没有很好的地下实验室,特别是极深地下实验室,许多相关领域的研究工作无法开展或只能与国外有条件的实验室联合开展。

  地下实验室主要是用来屏蔽高能宇宙线对于暗物质、双贝塔衰变以及中微子实验的本底影响。

  评价一个地下实验室性能的最重要的参数之一就是宇宙线月,清华大学与二滩公司(2012年改名为中国雅砻江流域水电开发有限公司)签订战略合作协议,决定利用锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度大,围岩放射性含量极低,能为相关实验提供“干净”实验环境的优势,建设中国首个极深地下实验室。

  初步测量显示,中国锦屏地下实验室能够将宇宙线通量降到地面水平的约亿分之一。

  “暗物质,通俗地讲就是那些既不发射光,也不吸收和反射光的物质。由于暗物质还是属于物质范畴,因此和普通物质一样,具有引力效应。研究和理解暗物质的本质将会影响和改变人类对于宇宙的认识。”

  接受媒体采访时,锦屏实验室主任、清华大学双聘教授程建平表示,暗物质问题是由瑞士科学家兹维基在1933年解释天文观测的一些新现象时提出的。暗物质存在的多个科学证据都是由天文观测给出的。科学家根据天文观测数据和研究结果得出暗物质质量约占宇宙物质总质量的80%~90%,而且分布在宇宙的各个角落。“那么,如此巨大的宇宙物质质量,必定在物质起源和宇宙演化过程中具有重要的地位。”

  无论哪一种探测方式,现代物理学的重大突破常常需要极端实验条件,极深地下实验室就是开展粒子物理与核物理、天体物理学及宇宙学等领域重大基础前沿物理实验研究的重要

  设施。但在2009年之前,中国并没有自己的地下实验室,许多相关研究无法进行,或者只能跟国外开展合作。

  2010年年底,中国锦屏地下实验室建成投入使用,成为我国首个、也是全球最深的地下实验室。

  为更好地开展核天体物理关键反应直接测量研究,中国原子能科学研究院联合中科院近代物理研究所、北京师范大学等,在中国锦屏地下实验室完成深地加速器安装运行。

  首批发布的4个核天体物理关键反应实验研究,测量灵敏度和统计精度均高于国际同类装置水平,达到国际核天体物理直接测量的最大曝光量、最宽能量范围和最高灵敏度。至此,我国成为世界上第三个具备开展深地核天体物理研究的国家。

  上世纪80年代天文观测在银河系星际介质中发现大量26Al,含量约为3倍太阳质量。而26Al寿命不到100万年,早期产生的26Al已经消亡殆尽,银河系中如此多的26Al的来源成为天体物理关注热点。

  19F(p,αγ)16O是AGB星演化中的关键问题。目前天文观测发现AGB星中存在氟超丰现象,氟的丰度比太阳系要高几十甚至上百倍,标准恒星模型无法解释这种现象。19F(p,αγ)16O反应的精确测量将有助于解决氟超丰问题。JUNA的实验首次将测量范围拓展到天体物理能区,取得了国际上最精确的反应率数据,实验研究成果发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》并获编辑推荐。

  13C(α,n)16O反应是重要的中子源反应。比铁重的元素如何合成一直是核天体物理的最重要问题,现在知道大约有一半比铁重的元素是通过慢速中子俘获过程(s过程)形成。这一过程中的原料中子就是由13C(α,n)16O反应提供的。该反应的精确测量对于理解重元素的合成具有重要意义。JUNA实验测量的能量范围首次完整覆盖天体物理i-过程能区,澄清了过去直接测量数据3倍的分歧。

  12C(α,γ)16O反应是核天体物理实验中最重要的反应,被誉为核天体物理的“圣杯”。一方面是由于该反应的重要性:直接决定了组成生命最重要的两种元素;碳和氧在宇宙中的比例;对上至铀的几乎所有核素的丰度都有重要的影响;决定了大质量恒星演化的最终命运。另一方面是因为该反应机制复杂,截面极低,实验测量非常困难。项目实验测量达到了国际最低能量,接近了天体物理能区,并且实现了反应测量的最高灵敏度,向摘取“圣杯”跨出重要一步。

  中国锦屏地下实验室是我国也是国际上第一次大规模建设具有极低辐射本底的前沿物理实验设施,对加快创新型国家建设、世界科技强国建设意义重大,

  “也正是如此,其对质量要求极高,防护系统在全寿命周期都不能出现任何渗漏。”

  其一,中国锦屏地下实验室位于四川省雅砻江锦屏山隧道中间位置,雅砻江干流之上。

  由于该工程为隐蔽工程,一旦渗漏无法维修,所以要求至少50年内都不能渗漏,这就对防护材料尤其是关键主材(喷涂速凝液体橡胶防水涂料)的耐老化性能提出要求,关键主材人工加速耐老化实验时间至少要达到5000小时。

  其三,项目所处地理位置特殊,水量大、水压高,施工环境复杂,对材料性能要求极高。

  地下实验室位于雅砻江干流之上的锦屏山隧道内,岩石覆盖厚度达到2400米,富水地质加多雨气候,岩体内地下水量大、水压高,渗透性强,水流方向不固定、不规则,对材料性能要求极高。

  地下室实验室周边地理环境,岩层覆盖深度,虽然对实验室探测暗物质数据有利,但是要保证实验数据的可靠性,实验室防护不仅要防水,更要抑氡。

  采用防排一体化工艺,异型结构工序繁多,且整个工程包含防水锚杆及埋件锚杆共计81403个,埋件及地脚螺栓共计5104个,节点处理至关重要,稍有不慎,就会成为渗漏隐患,使整个防护系统失效。

  由于洞体岩石层结构凹凸不平,异型节点较多,整体喷涂工作面复杂,对喷涂专业性要求很高:如喷枪距离基面的高度、角度,喷涂方向、速度等都会对防水涂膜质量产生影响,必须要求有100万平方米以上喷涂经验的喷枪手,保证涂膜的均匀性和致密性,避免出现砂眼、蜂窝、脱层、分层等情况。

  如果喷涂技能不达标,防水涂膜一旦造成缺陷,存在渗漏风险,将给实验室科研工作带来不可估量的损失。

  针对项目施工的复杂度,项目甲方、总包、大禹伟业在前期试验段施工中,不断探索、研究最优、最保险方案。