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地下2400米,四川这个全世界最深的地下实验室,到底在研究什么?

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综述

自打拥有了能够探寻宇宙的技术以来,人类就一直对遥远的宇宙虎视眈眈。

望远镜的发明令人类可以“亲眼”见到神奇的宇宙空间,上个世纪美国与苏联超级强国之间的冷战所产生的太空竞赛,也使得人类在航天事业上获得前所未有的飞速进步,空间探测器、卫星、空间站和载人飞船等等尖端技术在这个时期获得了空前的发展,也推动了人类了解宇宙的速度。


曾经的人类以为自己所在的国家就已经非常不小了,因为自身的弱小和科技武器等方面的不足,没有任何一个国家可以做到统一地球。然而把地球放在宇宙,它就如同一个落入大海的沙粒,无比的渺小。

根据人类现有的技术,我们所能观测到的宇宙范围大概是在930亿光年左右,也就是说如果人类拥有了光速的宇宙飞船,想要去探寻宇宙的可观测边界,也需要几百亿年的时间,然而人类到目前为止也就上百万年的演化岁月,足以想象宇宙的浩瀚与神奇。


在这片宇宙当中,可以确定的是物质总质量有85%都是暗物质,而这个从来没有被人类所发现到的神秘暗物质,正是我国四川有着2400米深度的、全球最深的地下实验室所研究的内容。

世界最深地下实验室

2021年,我们终于有幸在科技日报记者的报道下,深入了解到这个位于地下2400米,比7个四川电视塔还深的中国锦屏地下实验室。


这也是世界上岩石覆盖最深的实验室,也因此成为了国际一流的低辐射研究平台,能够对许多物质进行非常前沿的探测和研究。

早在2003年,施工人员在锦屏大河湾修建水电站的时候,一位来自清华大学的老师从新闻上发现了锦屏大河湾的神奇之处,并认为这个地方就是研究暗物质的绝佳场所。


当时的清华大学副校长亲自前往四川,找到相关水电工程的负责人,在经过多次的协商和探讨以后,成功实现了在这个地方建立暗物质实验室的计划。

2010年开始,该实验室正式运行,经过了十年左右的漫漫寻找过程,虽然还无法揭开暗物质的真正面目,但是通过排除法,科学家们已经将暗物质的躲藏空间给不断收缩,距离发现它的踪迹已经不远了。


而在这个过程当中,相关的前沿领域也在不停地向前发展,需要进行的实验也不断增加,原本的4000立方米的空间已经远远不能满足科学家们的需求了。

同时又因为国家的大力支持,这个实验室被列入了“十三五”规划,成为了我国重要的科技基建设施,2014年锦屏地下室又继续扩充,在原本的实验室一期向西大约500米的距离,开辟了一个总容积30万立方米有着很多功能和分区的实验室二期。


该实验室的主任还对这两个区域进行了非常形象的比喻,他把实验室一期称为是别墅,而实验室二期则是一个小区,有着不同的区域,能容纳更多的实验工作和项目。

如何寻找暗物质

我们都知道,暗物质是宇宙中不能被看见,目前为止也无法被人类观测到的物质,它虽然是宇宙的主要组成部分,但人类对暗物质的了解非常少,甚至打破了人类所研究出来的粒子物理标准模型。


科学家们认为暗物质应该拥有质量,并且具有引力作用,只是人类无法了解到它们单个的质量是多少。同时宇宙的每一个发展阶段都有着暗物质的存在,因此暗物质可能从宇宙诞生之初就已经出现了,并且还具有着高度的稳定性

暗物质基本上不会跟电磁产生反应,也就是说它几乎不会发出任何的电磁辐射,我们人类观测宇宙的方式根本不适用于暗物质,而根据它不发光的特性,暗物质与光子之间的作用肯定是非常微弱的,弱到根本无法被人类所发现的程度。


那么中国锦屏地下实验室要如何发现暗物质的存在呢?

事实上,除了锦屏实验室以外,很多的国家都在研究暗物质,并且都在抓紧时间试图成为第一个发现者,这不仅仅是记载史册的重大事件,同样还能使人类对宇宙的认识实现跨时代的革命性突破,对科学的发展有着重大的影响。


世界上关于暗物质的探测和研究主要分为三种方式,有模拟宇宙爆炸来检测暗物质的,有在天上放磁铁的,还有的就是锦屏地下实验室所采用的直接在地下检测。

锦屏实验室位于3000米高的锦屏山之下,宇宙线粒子被大量阻挡在了上面,对于科学家研究暗物质有着非常重要的作用。


因为暗物质的探测难度太大了,它的声音也非常小,如果要找出它,首先就要把其他的“杂质”给去掉,不仅仅是宇宙线粒子,还有其他许多的物质。

也因此,锦屏地下实验室的暗物质探测器外部有着六重厚厚的盔甲,除了岩石以外,还有厚达50厘米的混凝土,其次是1米的聚乙烯来将大部分的中子阻挡在外,然后就是20cm的铅,这是用来拦住伽马射线的。


再后来则是含硼聚乙烯,这是为了防止有一些灵活的中子从之前的阻拦中逃脱,对它进行的又一重防范。最后则是10cm的铜,同样是为了阻挡外部铅以及含硼聚乙烯的射线。

等到这些物质穿过了重重阻碍和拦截,那么来到终点暗物质探测器的,可能就剩下了对其毫无防备的暗物质了,科学家们希望能按照这种“守株待兔”的方式,将乖乖上门的暗物质捕捉到。


一旦有物质进入探测器,就会被记录下它和探测器发生碰撞的全部信号,而暗物质的信号与其他普通物质不同,因此就能够被发现。

结论

任何一项物质的发现过程都是需要漫长的等待的,同样也是需要无数的科学家忍受着长年的孤独才能寻找到的。虽然暗物质目前为止仍然没有任何一个人能够发现它,但我们也相信,在全世界科学家的努力下,距离暗物质第一次出现在人类的面前,已经不远了。

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