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科學家在四川地底深處,建了座世界最深實驗室,究竟在研究什麽?

2024-06-29科學

暗物質探測的重要性。

暗物質一詞,最早出現在1933年瑞士的天文學家瑞佛斯的研究中,他在研究昴星團的時候,發現昴星團中成員的運動速度和昴星團的品質呈現了不符合牛頓力學規律的現象。

他認為這和恒星之間的重力交互作用或是他們形成昴星團的重力等因素有關。

但是最終他並沒有得出正確的結果,而是得出了一些錯誤的結果,所以他在文獻上指出「很可能是昴星團中有不為人知的物質,它的存在使得我們的計算出現了偏差」。

在後來的研究中,天文學家發現這不僅僅在昴星團中存在,星系團中也存在這一現象。

並且透過計算發現星系團中的品質與可見物質之間存在著很大的差異,這一現象直到現在也沒有被推翻,科學家們對此懷疑這個差異是由暗物質引起的。

暗物質是一種不和光子交互作用的物質,它不僅僅不發光,而且還無法透過影像來探測。

但是暗物質可以透過重力交互作用來感應,這就是暗物質能夠透過空間中的物質對周圍物體產生重力,從而突顯出存在的證據。

現在主流的宇宙學模型是宇宙由約27%的暗物質、5%的一般物質以及約68%的暗能量構成。

暗物質是宇宙中的基本組成結構,它構成了宇宙中的一切,包括星系、星系團甚至宇宙本身,因此對暗物質的研究對了解暗物質在宇宙中的分布和形成過程極其重要。

在目前,暗物質的探測主要透過兩種方式,一種是透過建立暗物質探測探測器來直接探測暗物質,這種探測方式叫做直接探測。

另一種是透過觀測暗物質與周圍物質交互作用產生的軟放射線、伽瑪射線等探測方式來間接探測暗物質,這種探測方式叫做間接探測。

在這兩種探測方式中,直接探測是探測暗物質最直接的方式,它可以透過記錄暗物質與普通物質發生交互作用的數據來推斷暗物質的存在。

正是因為它探測的資訊最直接,並且背後的原理相對簡單,所以被廣泛使用。

在進行暗物質探測的時候,最大的問題就是受到宇宙的幹擾,由於暗物質不和光子交互作用,所以無法透過影像來探測,對於暗物質的探測器而言,來自宇宙的其他粒子也是一種噪音。

這種噪音產生的原因是其他粒子和暗物質之間發生的交互作用產生的,所以為了盡可能的降低其他粒子產生的影響,科學家們想到了在地下建立一個實驗室,這樣就可以有效的避開部份來自宇宙的幹擾。

因而,地下實驗室就應運而生,城建地下實驗室不僅可以避免宇宙的放射線,同時還可以避免來自人類活動的放射線,這樣就能夠有效的降低外部環境對暗物質探測的幹擾,為暗物質研究提供理想的實驗條件。

錦屏地下實驗室進行了哪些研究。

建立在錦屏山深處的地下實驗室,對於暗物質探測,是絕佳的探測場所,這主要是錦屏山所處的位置,深處的厚重巖石能夠有效的隔絕外部環境產生的放射線對暗物質探測的影響。

在地下2.4千米的位置,地下所處的環境恰好就是世界上最適合暗物質探測的場所,這也是科學家選擇此處進行暗物質探測的原因,錦屏地下實驗室並不只進行暗物質探測,還有其他實驗進行。

暗物質探測器雖然能夠夠有效的探測暗物質,但是它也存在一定的探測盲區,其探測能力隨著能量的增大而下降。

因此為了能夠夠更加準確的探測暗物質,多款探測器的套用是必不可少的,這樣就能夠在不同能量水平的暗物質上進行探測。

CDEX和PandaX是在錦屏地下實驗室進行的兩項重磅實驗,CDEX是錦屏地下實驗室熠熠生輝的一顆明星,它主要進行暗物質的直接探測,同時也是中國直接探測暗物質的第一台超敏感探測器。

其探測能力是之前的探測器的十倍,因此它極大的提高了暗物質的探測靈敏度,能夠夠大大的降低其他粒子可能產生的幹擾。

除此之外,還能夠有效的避免來自人類活動的放射線影響,因此它是中國探測暗物質的第一選擇。

CDEX在開啟後,對暗物質的探測取得了很大的成果,它首先發現了四位數以上的暗物質的事件數,而且公信力極高,而它收集的數據也被廣泛的套用於暗物質的探測中,在暗物質探測領域也取得了重大的突破。

PandaX可以說是中國暗物質間接探測領域的明星,它主要使用液氙技術對暗物質的探測,其探測能力要比CDEX稍遜一籌,但是其液氙技術能夠對暗物質的探測產生重要的影響。

它對暗物質的探測能力是之前的探測器的兩倍,在PandaX的帶領下,中國的暗物質探測領域迎來了全新的機遇,同時也在暗物質探測領域產生了新的發現。

CDEX和PandaX的同時使用,一起進行暗物質的探測,可以使其探測範圍擴大,但是二者之間也是有探測盲區的。

因此在此基礎上,還有一款探測器,它主要用於探測二者之間的漏探區域,這樣就能夠夠對暗物質的探測產生一個全面的了解,同時還能夠有效的避免漏探區域對其所產生的影響。

在錦屏地下實驗室的進行研究,還有核子反應爐微中子的觀測等。

在核子反應爐中,微中子是一種不帶電中間粒子,它不但具有極小的品質,而且和其它粒子的交互作用也是微弱的,所以很容易穿過物質和其它粒子進行交互作用。

但是它所帶動的核反應產生的微中子的反應可以被探測到,因此科學家們就可以透過觀測這種現象來對核子反應爐中產生的微中子進行研究。

在核子反應爐中,微中子不僅僅是作為一種粒子的示蹤,同時還可以透過它對微中子的觀測來對其他物理現象進行探索。

未來的發展。

近年來,國內暗物質研究取得了一系列的重要成果,同時在國內的暗物質探測也有了長足的進步,然而為了更好的進行暗物質探測,就必須擴建實驗室的實驗空間,以適應更多的科研計畫的需求。

因此錦屏地下實驗室就進行了二期的工程,它將在各個位置下建實驗室,這樣就可以在不同深度的地下進行暗物質的探測,同時還可以在不同深度的地方,獨立的進行暗物質的探測。

在此基礎上,地下實驗室的面積也將相應的擴大,這樣就可以為實驗者提供更大的探測空間。

二期工程的擴建對於中國暗物質的探測是極大的幫助,未來錦屏地下實驗室將更加完善,預計2024年二期工程正式投入執行。

隨著二期實驗室的建立和執行,中國的暗物質探測將發展的更加迅速,為科研人員提供更為便利的條件,促進更多科研成果的產生,同時也將吸引更多的科研人員。

結語

暗物質的研究也是當今天體物理學領域的重要課題,中國在這方面的投入,也將推動國際上相關領域的發展,同時也將會推動更多的國際合作。

中國能夠夠在暗物質研究領域取得一系列的重要成果,充分展現出國家在基礎科學研究上的實力和重視程度。

隨著錦屏地下實驗室的不斷擴建,中國在暗物質研究領域的成就也將不斷的豐富。