中国锦屏地下实验室(CJPL)位于
四川省凉山州锦屏水电站锦屏山隧道中部埋深2400米处,以
锦屏山为天然平台,以水电站深埋长隧洞为基础。
建设历程
2009年5月,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签订战略合作协议,启动中国锦屏地下实验室建设。
2010年12月12日,中国首个
极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江
锦屏水电站揭牌并投入使用,
锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米,是世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一等的洁净的低辐射研究平台,能够自主开展像
暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。
清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室,并启动探测工作,而2011年
上海交通大学等研究团队也进入这里开展暗物质的探测研究。
2014年8月,清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署协议,决定共同建设中国锦屏地下实验室(二期)项目。
2016年,中国锦屏地下实验室(二期)项目被列入国家重大科技基础设施“十三五”规划。
2018年12月,国家发展改革委正式批复国家重大科技基础设施建设项目“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”可行性研究报告。
2019年7月,中国锦屏地下实验室正式启动国家重大科技基础设施项目建设。
2020年12月,雅砻江流域水电开发有限公司锦屏地下实验室管理局成立,锦屏大设施正式开工。
2021年3月,国家“十四五”规划发布,锦屏大设施跻身前瞻引领型国家重大科技基础设施。
2022年10月,中国锦屏地下实验室二期项目建设正稳步推进,项目团队攻克“地下2400米”极限挑战,建设最“纯净”的实验室。
2023年8月31日,锦屏地下实验室二期工程中全球最大的聚乙烯屏蔽舱建成,实验室舱体进入洁净实验室施工阶段。12月7日,中国锦屏地下实验室二期极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施(简称“
锦屏大设施”)土建公用工程完工,具备实验条件。这标志着世界最深、最大的极深地下实验室正式投入科学运行。首批来自清华大学、上海交通大学、北京师范大学、
中国原子能科学研究院、中国科学院武汉岩土力学研究所等高校和科研院所的10个实验项目组进驻开展科学实验。锦屏大设施今后将发展成涵盖
粒子物理、
核天体物理、宇宙学、
生命科学、
岩石力学等多
学科交叉的世界级深地科学研究中心,助力国家科创平台“跨越式提升”。
组成结构
该项目由中建三局承建,面积约4万平方米,空间容积约30万立方米,由实验厅、辅助隧道、服务隧道、连接隧道、排水隧道五部分组成。
“中国锦屏地下实验室”利用为水电站修建的锦屏山隧道建成。其垂直岩石覆盖达2400米,是世界上岩石覆盖最深的地下实验室。与其相比,位于意大利中部格兰萨索山区的欧洲地下试验室就像个游戏室。在川藏群山下,粒子物理学家最头痛的宇宙线的强度仅为格兰萨索山区的1/200,为实验提供了“干净”的环境。
连接锦屏一级、锦屏二级水电站的17.6公里交通洞,上面是2500多米厚的山体岩石。这里将成为研究所成立后首个实验的开展地,专门“搜捕”暗物质。这里是世界上最优越的探测
暗物质的环境。
该实验室利用的是当地建水电站时修的地下隧道,在其侧面开挖长40米,宽、高各为6米的空间。因而与国外一些“脱胎”于矿井的地下实验室相比,使用更为便利,埋深2500米的隧道,因为埋得越深,宇宙射线的干扰就越少。
地下实验室是粒子物理和天体物理学等领域的暗物质探测研究、中微子实验等重大基础性前沿课题的重要研究场所。实验室采用的
高纯锗探测器不但需要尖端技术还需大量资金投入。
技术原理
在宇宙学中,
暗物质是指那些不发射任何光及
电磁辐射的物质。人们只能通过引力产生的效应得知
宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过
引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、
微波背景辐射等研究表明:我们所认知的部分大概只占宇宙的4%,暗物质占了宇宙的23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。
最初的办法是天文观测法,但是,却无法解答“暗物质是什么?”后来,人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者,是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号,一般通过地面或
太空望远镜探测;后者,则是用
原子核与暗物质碰撞,探测碰撞产生的信号。而在地面上,因为宇宙射线众多,这些信号会对直接探测产生干扰,影响其鉴别能力。因此,地下实验室的建成可帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。
因为暗物质在宇宙中是一种颇有“个性”的粒子,它质量很大,但作用力却微乎其微。“每天可能有几万亿个暗物质穿过你的身体,但你却感受不到,这是因为暗物质的
散射截面很小。”专家为此打比方说,这就像一只足球能被球网挡住,但是一个小铁球就能穿网而过,这是因为它的截面比球网的网格要小。
探测方法
“从地面上开车大概20分钟,就能到达地下实验室。一旦仪器运行稳定后,他只需在地面上的办公室监控探测器运行即可,而地下实验室的所有数据也会传送至地面。因此科研人员无需24小时“守”着探测器。
清华大学、上海交大两个实验组已入驻地下实验室,清华大学的暗物质探测器已经率先进入实验室并启动探测工作,而2011年
上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。两个实验组的探测方式并不相同,上海交大将使用液氙探测器在此开展暗物质的直接探测,清华将采用低温半导体开展探测。在这个过程中,每一个科学发现都将使人类对物质世界的认识更进一步。龚敏说,四川大学将与清华大学协作,加入暗物质研究课题。
选址原因
选址锦屏山隧道是因为锦屏山拥有垂直岩石覆盖最大的地理优势,该实验室是从隧道的侧面开挖出来的,长40米,宽、高各为6米,深埋在地下,实际位于水平地面上。实验室各种仪器、设备、探测器、通风设备等都很好,地下实验室的所有数据都传送至地面。
研发进展
据资料显示,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。早在2009年,美国也在南达科塔州的黑山建立了一个深度约为2438米的地下实验室。日本也在2010年10月在位于岐阜县飞鳍市神冈矿山地下,建设了XMASS地下实验室。英国一个深达350米的地下实验室也于2010年4月份启动使用。其目的都在于希望能够成为在世界上最早发现
暗物质的国家。
专家表示,
粒子物理探求的是物质最深层次的奥秘。就像电被发明时,人们尚无法想象后来的电视、电脑。但无论如何,每一个科学发现都使人类对物质世界的认识更进一步。
实验设施
组织机构
中国锦屏地下实验室管委会
委员:
程建平、孙文良 、
李元景、李名川 、
邓宁、周永
中国锦屏地下实验室