中国首个极深地下实验室 锦屏地下隧道暗物质探测

   极深地下实验室是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域中的暗物质探测、双β衰变、中微子振荡等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所需的特殊环境，也是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好环境。过去二三十年，全球已建立起十几个空间大小不同的深地实验室，而锦屏实验室以其一流的综合条件吸引了国际科学界的高度关注。

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  2009年美国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。

  2010年12月，世界最深地下实验室——锦屏山隧道在我国投入使用

  2010年12月，一则《世界最深地下实验室在我国投入使用，我国科学家启程探寻暗物质》的消息引发全世界的关注。这意味着我国在锦屏拥有了首个极深地下实验室，也拥有了当前世界最深的地下实验室，无论是开展暗物质的探寻还是开展其他需要极“纯净”环境的高精尖实验，我国都拥有了最好的环境。  

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   锦屏山隧道建成，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，也是我国首个极深地下实验室。

   随着深部地下工程的深度的不断增加，工程灾害日趋增多，其中最重要的问题之一是高地应力诱发的岩爆灾害，岩爆是一个世界性的灾害现象。岩爆机理及其预测、预报和预警研究 ，已成为我国岩石力学界必须致力解决的关键科学问题和技术难题。岩爆的主要研究内容和研究方法：

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   岩爆是深部高应力地区地下工程的一种地质灾害，是围岩各种失稳现象中反映最强烈的一种破坏类型。岩爆的破坏形式表现为：劈裂破坏和剪切破坏。岩爆按照其发生的机理可以分为：应变型岩爆，构造型岩爆，应变和构造型混合岩爆。岩爆的破坏形式及其发生的机理：

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   在二滩水电站17公里长的锦屏隧洞内，中国首个极深地下实验室就建在这里。这是世界最深的地下实验室，也是世界上最“干净”的地下实验室。所谓最“干净”，是指辐射最少、杂质最少。清华大学工程物理系教授李元景告诉记者，世界上最难挡住的就是宇宙射线，要打造一个最理想的实验环境，就要尽量遮蔽住宇宙射线，而用岩石阻挡是好办法。锦屏隧洞最大埋深达2400米左右，实验室设立其中，就相当于将实验室设在地下2400多米深的地方，超过了加拿大的岩石覆盖厚度2000米的斯诺实验室，能将宇宙射线通量降到地面水平的约亿分之一。而为了让实验室变得更“干净”，工作人员还对环境进行了特殊的包装。实验室外层是1米厚的聚乙烯材料，用于阻拦和吸引中子;然后是20厘米厚的铅层，用于屏蔽外部的伽马射线;20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子;10厘米厚的高纯无氧铜，用于阻挡铅材料及外部其他材料中的伽马射线。这些屏蔽设备几乎屏蔽掉了能够想到的一切辐射源。

   锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上，系雅砻江卡拉至江口河段规划的5个梯级电站之一，锦屏二级水电站利用雅砻江150km锦屏大河湾的天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电，坝址位于锦屏一级下游7.5km，厂房位于大河湾东端的大水沟。共安装8台600MW的水轮发电机组，装机4800MW，多年平均年发电量242.3亿kW.h。首部设低闸，闸址以上流域面积10.3万平方公里，闸址处多年平均流量1220立方米/秒。水库正常蓄水位1646m，总库容1428万立方米，调节库容为502万立方米，本身具有日调节性能，与锦屏一级同步运行同样具有年调节特性。锦屏二级水电站枢纽建筑主要由拦河低闸、泄水建筑、引水发电系统等组成。

   锦屏二级水电站的4条引水隧洞平均长约16.6km，开挖洞径12m，为世界第一水工隧洞。工程建设总工期8年3个月，静态投资186.5亿元，总投资222.5亿元。计划2007年正式开工，2012年首台机组发电，2014年竣工。

   锦屏山隧道施工

   中国锦屏地下实验室是我国第一个极深地下实验室。据悉，中国锦屏地下实验室二期工程将包括4组共8个实验室及其辅助设施，预计将于2015年底完成土建工作，总容积将从目前的4000立方米扩容到12万立方米，能够容纳更多的深地科学领域实验项目同时开展，建成后将有望逐步发展成为国家级的面向世界开放的基础研究平台。

   中国锦屏地下实验室所在地的地貌和实验室内部设施

   清华大学的专家在“中国锦屏地下实验室”开展暗物质探测的相关数据采集工作

   中国锦屏地下实验室是目前世界上最深的地下实验室，垂直岩石覆盖达2400米。在这样的极深地下实验室里，高能量的宇宙线能够被尽可能地屏蔽，为暗物质探测等重大基础性前沿课题研究提供尽量“干净”的辐射环境。经过测量发现，锦屏地下实验室周围的岩石纯度非常高，这是一个“干净”的地下实验室所必须具备的另一项重要指标。

   中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”2010年12月12日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，是目前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流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。目前，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。

   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比格兰萨索山区要弱200倍，为实验提供了“干净”的环境。连接设锦屏一级、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。目前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。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。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。

   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，它品质很大，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。

   什么是暗物质？找到它难在哪里？探索它又有何意义？暗物质不发光，不发出电磁波，从来没有被直接“看”到过。暗物质运动速度是子弹出膛速度的300倍，穿过人体时不会留下任何痕迹。一般情况下，凭借肉眼或借助工具就能看到普通物质，即使它们藏身于最黑暗的角落，只要有光照总能被发现，但暗物质是个例外。暗物质最早是天文学家观测宇宙时“发现”的。20世纪30年代，瑞士天文学家茨威基研究发现：在星系团中，看得见的星系占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。这一结论意味着星系团中有某种神秘物质被人忽略。在当时，多数人并不认同茨威基的观点。不过，后来的宇宙观测结果越来越验证这一观点的可信性。因为按照万有引力原理，物体围绕中心旋转，越往外转动速度越低。暗物质的物理组成到底是什么？毕效军说，通常认为暗物质是一种不发光、不发出电磁波、不参与电磁相互作用的全新粒子。与通常物质一样，暗物质也有引力作用。根据引力效应，天文学家估算，宇宙由27％的暗物质、68％的暗能量和5％的普通物质组成。暗物质如何产生？毕效军认为，和普通物质一样，暗物质应该也来自于宇宙大爆炸。在宇宙早期某一个时刻，宇宙温度非常高，粒子能量非常强，它们剧烈碰撞，在这种相互作用下，包括暗物质在内的各种各样的物质由此产生。

   国际科技界认为，未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代。揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃。国际上对暗物质探测方式主要分为3类。第一类是加速器探测，这方面主要的探测设备是欧洲核子中心的大型强子对撞机；第二类是在地下进行的直接探测，中国在四川锦屏山地下实验室中正在开展相关实验；第三类是间接探测，主要是在空间进行。

   对于宇宙中5%的物质，即所谓的普通物质，我们已经建立了一套非常完备的理论，即所谓标准模型来进行描述。但是标准模型并不能说明宇宙中暗物质的现象。这就表明，我们对于物质的基本组元、基本结构还有待进一步深入研究。

“经过百年，人类对物质世界的认识又一次处在了十字关口，暗物质便是一个关键突破口。可以说，揭开暗物质之谜，将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃。”国家天文台研究员秦波说。

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