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7月20日，首個(gè)由清華大學(xué)作為獨(dú)立法人單位承擔(dān)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”啟動(dòng)儀式在四川省雅礱江錦屏山隧道舉行，標(biāo)志著由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司共同建設(shè)的中國(guó)首個(gè)、世界最深的極深地下實(shí)驗(yàn)室——“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”進(jìn)入加快建設(shè)新階段。
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室所在錦屏山隧道入口
極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施是“十三五”時(shí)期國(guó)家優(yōu)先安排建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。國(guó)家發(fā)展改革委牽頭建設(shè)管理，教育部和四川省人民政府共同主管，法人單位是清華大學(xué)，共建單位為雅礱江流域水電開發(fā)有限公司。
這既是四川承擔(dān)國(guó)家戰(zhàn)略的一份重大責(zé)任，也是四川加快創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展進(jìn)程中的一件大事。
項(xiàng)目建成后將成為國(guó)家重要的創(chuàng)新平臺(tái)，為建設(shè)國(guó)際領(lǐng)先水平的極深地下研究中心、科學(xué)考察和科普教育基地奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，將進(jìn)一步夯實(shí)我國(guó)科技基礎(chǔ)、推動(dòng)科技進(jìn)步，提升自主創(chuàng)新能力和國(guó)際影響力，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。
CJPL二期B2實(shí)驗(yàn)廳現(xiàn)狀
圖13 CJPL二期C1實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)挖基坑效果圖
按照工程目標(biāo)，該項(xiàng)目將利用錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的空間條件，建成世界上最深、宇宙線通量最小、可用空間最大、綜合條件齊全的地下實(shí)驗(yàn)室，其中宇宙線通量小于每年每平方米100個(gè)，容積大于30萬(wàn)立方米。
建成大型液氮低溫輻射屏蔽裝置、大型常溫純凈水輻射屏蔽裝置、極低輻射本底測(cè)量與分析裝置（最小可探測(cè)活度約10微貝克每公斤），具備全面支撐我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)、無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)和地下核天體物理實(shí)驗(yàn)等前沿物理實(shí)驗(yàn)研究的能力。
探索暗物質(zhì)：
有望成為世界深地物理實(shí)驗(yàn)中心
在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)是指那些不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)?，F(xiàn)代天文學(xué)通過(guò)引力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成、微波背景輻射等研究表明，我們所認(rèn)知的部分大概只占宇宙的4%，暗物質(zhì)占了宇宙的23%，還有73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。
2009年，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司（原二灘水電開發(fā)有限責(zé)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(shí)驗(yàn)室。
2010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)、全球最深的地下實(shí)驗(yàn)室。2014年，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司簽署協(xié)議，共同建設(shè)“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”二期工程，將地下可用實(shí)驗(yàn)空間由原來(lái)的4000立方米增加到30萬(wàn)立方米。
“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”項(xiàng)目面向超越當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新物理的重大基礎(chǔ)前沿研究，開展暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)、無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)，以及核天體物理領(lǐng)域關(guān)鍵核素合成過(guò)程和恒星演化等基礎(chǔ)科學(xué)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(chǔ)前沿領(lǐng)域探測(cè)新機(jī)理、新方法、新技術(shù)，發(fā)展極低輻射本底屏蔽新方法與新技術(shù)，為我國(guó)粒子物理和核物理領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)前沿物理問題研究提供平臺(tái)支撐。
項(xiàng)目建設(shè)完成后將具備國(guó)際領(lǐng)先的深地物理實(shí)驗(yàn)綜合條件，有望成為世界深地物理實(shí)驗(yàn)的中心，推動(dòng)我國(guó)開展國(guó)際級(jí)大科學(xué)合作，吸引國(guó)內(nèi)外頂尖學(xué)者前往開展前沿物理實(shí)驗(yàn)，為取得重大物理突破提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。
同時(shí)，該項(xiàng)目將提供一個(gè)近零宇宙線本底的地下輻射計(jì)量平臺(tái)，可以解決極弱放射性基準(zhǔn)測(cè)量和低劑量率刻度的難題，為我國(guó)建設(shè)完善的輻射計(jì)量基準(zhǔn)提供實(shí)施條件，推動(dòng)海洋科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究，為這些學(xué)科領(lǐng)域提供一個(gè)國(guó)際一流的極低本底交叉創(chuàng)新平臺(tái)。
“再出發(fā)”：
5年內(nèi)將建設(shè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
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。
與國(guó)際上其他的地下實(shí)驗(yàn)室相比，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室?guī)r石覆蓋最深、宇宙線通量最小、可用空間最大，并且具備交通便捷、電力及水源充足、基礎(chǔ)設(shè)施完備等優(yōu)勢(shì)。
2016年，項(xiàng)目進(jìn)入國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施十三五規(guī)劃以來(lái)，國(guó)家發(fā)展改革委從統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、資金安排等方面給予大力支持，將項(xiàng)目納入首批簡(jiǎn)化審批試點(diǎn)并在去年12月正式批復(fù)；教育部精心指導(dǎo)、合力推進(jìn)。四川省委省政府高度重視，省委書記彭清華、省長(zhǎng)尹力多次作出重要指示，省直相關(guān)部門和地方各級(jí)黨委政府全力做好協(xié)調(diào)服務(wù)。項(xiàng)目承擔(dān)單位清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司大膽探索、協(xié)同攻關(guān)，按照國(guó)家要求務(wù)實(shí)推動(dòng)項(xiàng)目前期工作。在各方的共同支持與努力下，該項(xiàng)目正式進(jìn)入加快建設(shè)新階段。
記者查閱到，按照批復(fù)該項(xiàng)目的主要建設(shè)內(nèi)容為：建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室綜合運(yùn)行維護(hù)支持平臺(tái)，主要建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)支撐系統(tǒng)、地下安全保障系統(tǒng)、地下工作條件支持系統(tǒng)、地下實(shí)驗(yàn)室管理信息系統(tǒng)等。建設(shè)極深地下極低輻射本底輻射屏蔽平臺(tái)，主要建設(shè)大型液氮低溫屏蔽裝置、大型常溫純凈水屏蔽裝置、組合式固體輻射屏蔽裝置等。建設(shè)極深地下極低本底分析測(cè)試平臺(tái)，主要建設(shè)微貝克每公斤量級(jí)輻射本底測(cè)量與分析裝置、地下放射性測(cè)量分析系統(tǒng)、地下極低放射性材料制備與測(cè)試系統(tǒng)等。建設(shè)地上輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要建設(shè)地面實(shí)驗(yàn)室、運(yùn)維管理中心、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與材料轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等。
按照規(guī)劃，“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”項(xiàng)目建設(shè)期為5年。
“跟跑”變“并跑”
我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)“飛躍”
自中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期建成投入使用以來(lái)，已經(jīng)開展了清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的高純鍺直接探測(cè)合作組（CDEX）、上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的液氙直接探測(cè)合作組（PandaX）等暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，及清華大學(xué)主持的錦屏中微子實(shí)驗(yàn)等，取得了一系列研究成果。在較短的時(shí)間內(nèi)使我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)從無(wú)到有，研究水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，由“跟跑”變成“并跑”。
2013年，清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX合作組在國(guó)際上發(fā)表了中國(guó)第一個(gè)自主暗物質(zhì)研究成果，研究水平達(dá)到國(guó)際第一陣營(yíng)。2014年，合作組又獲得了10GeV以下能區(qū)里同類探測(cè)器最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定性地排除了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組多年來(lái)宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域。2018年CDEX合作組發(fā)表了4-5GeV能量區(qū)間當(dāng)時(shí)國(guó)際最好的暗物質(zhì)探測(cè)靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
如今，CDEX合作組的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累已超過(guò)4年，開展了年度調(diào)制、暗物質(zhì)軸子、暗光子等多個(gè)通道物理分析，不僅在暗物質(zhì)研究方面取得了國(guó)際先進(jìn)水平的成果，還在高純鍺探測(cè)器自主研制、自主低溫低本底前端電子學(xué)研制等核心技術(shù)方面取得重要突破。
2018年，CDEX合作組自主研制的世界第一個(gè)低閾值低本底的配置金屬氧化物集成電路前放的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器（ASIC-PPCGe），能量分辨率達(dá)到商業(yè)探測(cè)器水平，而且測(cè)量到了低能區(qū)Ge-68宇生X射線，展現(xiàn)了低本底測(cè)量能力。
清華大學(xué)工程物理系輻射物理與探測(cè)技術(shù)研究室主任李玉蘭博士介紹實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況
未來(lái)，合作組將建設(shè)100公斤至噸量級(jí)的鍺-76同位素豐度達(dá)85%以上的富集高純鍺陣列探測(cè)器系統(tǒng)，將探測(cè)靈敏度再提升兩到三個(gè)量級(jí)，可以同時(shí)測(cè)量暗物質(zhì)和無(wú)中微子雙貝塔衰變兩個(gè)重大前沿科學(xué)問題研究。
在國(guó)際合作方面，CDEX合作組參與了由中國(guó)、美國(guó)、歐洲等地區(qū)的40多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的數(shù)百位科學(xué)家組成LEGEND合作組工作，獨(dú)立提出并推動(dòng)了基于LEGEND框架的噸量級(jí)高純鍺無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)方案。
