Monday, February 4, 2013

暗物质也有可能不是由基本粒子组成,真是那样的话当然探测就困难多了。但是既然我们迄今已知的所有物质都是由基本粒子组成的,那么也不妨先假设暗物质是一种未知粒子做些研究。其实,即使暗物质是粒子,也不是都能用这里介绍的实验方法探测到--世界上还没有哪一种实验是万能的

锦屏山暗物质探测地下实验室 精选
已有 5033 次阅读2010-8-15 08:45|个人分类:科学普及|系统分类:科普集锦|关键词:暗物质,锦屏山
前几天我去参加了四川大学组织的暗物质理论和实验研讨会。会后,我也跟随部分与会代表一起前往锦屏山参观了锦屏山地下实验室,这个实验室是暗物质直接探测实验室。

自从上世纪30年度Zwicky首次提出暗物质的概念以来,其存在的证据越来越多。但是,这些证据都来自暗物质的引力效应。由于引力是“万有”的,因此仅仅从引力效应还不能判断暗物质究竟是什么。为了回答暗物质究竟是什么的问题,还需要从其它类型的相互作用中寻找暗物质的踪迹。另一方面,关于暗物质究竟是什么,有很多理论上的猜测和模型,而每一种的暗物质性质不同,寻找的方法也不同。不过,就目前而言,被研究得最多也是最被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particle, WIMP).这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用,但是参予弱相互作用,同时质量也比较大。WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有三个原因:首先是WIMP具有“冷暗物质”的各种性质,而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次,在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如,流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子,这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。最后,WIMP具有弱相互作用截面,而按照统计物理的粒子退耦理论计算,WIMP的数量也刚好和观测值同一个数量级。因此,目前大部分暗物质探测实验是针对WIMP设计的。

怎样找到WIMP呢?其中的一种方法就是“直接”探测实验。在这种实验中,人们用一些高度灵敏的、屏蔽的探测器进行探测。一般的粒子无法穿过探测器外面的屏蔽,而暗物质粒子只有弱相互作用,因此可以穿过屏蔽。在多数情况下,当然它也同样穿过探测器,但是既然暗物质粒子有弱相互作用,它就有一定的几率与探测器内的原子碰撞。由于WIMP粒子相当重,又以每秒几百公里的高速度在银河系的暗物质晕重运动,因此在这一碰撞中,可以传递相当多的能量(几十keV)给被碰的原子,导致原子被电离、激发或产生晶格振动,对于高灵敏度的探测器,这是可以被探测的。碰撞事例的多少取决于暗物质的密度、质量、碰撞截面和探测器工作介质的质量,噪声主要来自宇宙线和自然放射性产生的中子。因此,为了尽可能减少干扰噪声,必须把探测器深埋地下,这就是所谓地下实验室。地下实验室越深,对宇宙线的屏蔽效果就越好,也就越容易实现高灵敏度。 这一方法自上世纪80年代提出后,经过近30年的研究,现在的探测器灵敏程度已经接近理论模型预言的参数范围。意大利的DAMA实验组自十余年前开始就声称探测到暗物质产生的年调制信号,不过这一结果没有得到其它实验组的证实。去年底,CDMS实验组也报告了两个疑似暗物质事例(参见“暗物质探测的新结果”一文,http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=279596)。也许暗物质的直接探测离我们已经不远了——当然,也存在着另外的可能,就是暗物质并非WIMP,那么这种类型的实验就探测不到。

我国以前没有自己的地下暗物质探测实验,但参与了两个国外的地下暗物质探测实验:高能所参与了意大利的DAMA 实验,这个实验利用意大利的Gran Sasso 隧道。清华大学参与了韩国的KIMS实验,这个实验利用的是韩国襄阳(Yangyang)水电隧道。

目前,国际上的地下实验室有十几个,基本分为两类,一类是利用废弃的矿井,另一种是利用隧道。相比矿井而言,隧道在使用上要方便得多,可以直接开车进入。但是,隧道的深度受到山高的限制,对于比较短的隧道而言,还要考虑从山侧穿入的宇宙线。因此,找到合适的隧道并不是那么容易的事。幸运的是,在我国四川西昌地区的锦屏山,有条件极好的隧道。为了利用雅砻江的水能资源,二滩水电公司正在锦屏山附近修建水电站。雅砻江在这里有一个U字形的大转弯,长达二百多公里,然而直线距离不过二十多公里。填充U字形中心的是海拔四千多米、相对高差两千五百多米的锦屏山。为了方便水电工程建设,二滩公司在这里钻了两条长17.5公里的交通隧道,供施工车辆通行,其中一条已经投入使用。这条隧道上方覆盖着2.5公里厚的岩层,是世界第二深的隧道,而建成了地下实验室后,可以成为当前世界上最深的地下实验室,为暗物质直接探测实验提供非常好的条件。

锦屏山还有一个重要优势,在于地下实验室所在处不是花岗岩,而是变质岩,其自然放射性相当低,实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低。

地下暗物质实验除了利用岩层屏蔽高能量的宇宙线外,本身还需要相当复杂的人工屏蔽以消除自然界放射性的影响。以锦屏山的清华实验(CDEX)为例,墙壁有涂层以尽量阻断岩体释放氡气,探测器屏蔽最外层用1米厚的聚乙烯层慢化岩石中同位素放射性产生的中子,中间用20厘米的铅层屏蔽伽玛光子,里层用15厘米的无氧铜屏蔽。在这些被动屏蔽层的里面,还有主动屏蔽层,探测穿越了上述几层屏蔽以及屏蔽层自身内微量同位素放射产生的粒子,从而否决(veto)由这些辐射产生的事件。所有这些屏蔽层以及探测装置自身的材料选择都非常讲究,以尽可能降低屏蔽材料和探测器中自身含有的微量放射性同位素。高纯锗探测器本身所用的锗纯度达13个9,以降低其自身放射性。

尽管我自己并不从事WIMP直接探测的实验工作(我在暗物质方面的研究主要是间接探测和天体物理限制,也就是利用暗物质粒子湮灭、衰变和相互作用在天体物理过程中的各种效应去探测它),但我一直认为,这种实验投资较少而科学意义重大,是非常适合中国当前情况的实验,因此在历次有关的讨论中,对于在国内建设地下实验室,开展WIMP直接探测实验,我都持积极支持的态度。当然,要开展这项研究,也必须有相关的人才、技术,还要找到合适的实验场地,所谓天时、地利、人和,各方面的要素都是需要的,而现实中这些因素往往并不同时具备。问题是我们是积极去寻找、创造这方面的条件,还是消极等待?

清华大学从事暗物质探测研究的同事们积极行动,花费了许多时间与二滩公司联系、沟通,获得了他们的理解和支持。在二滩公司的支持下,目前已经建成了一块实验空间,其中里面的部分用来安装清华大学的高纯锗探测器,而稍稍在外面的一段空间则用来安装上海交通大学的液氙探测器。我国本土的暗物质直接探测,终于迈出了第一步。这件事情在两年前进行论证时好象还遥不可及,甚至不清楚到底能否搞起来,然而现在地下实验室已经开始了屏蔽层的安装工作,进展之迅速,令人目不暇接。

这次我怀着非常激动的心情,随川大和清华的同事们一起,去锦屏山参观了建设中的地下实验室。置身期间,觉得实验空间相当充足,与在图纸上看的感觉颇有不同。另一方面,西昌特别是锦屏山风景秀美、交通方便,生活条件也相当不错。锦屏山水电站规模宏大、气象万千,建成后提供将大量的清洁能源,也让人过目难忘。

祝愿从事暗物质直接探测的同事们早日取得成功!


雅砻江和锦屏山



地下实验室



锦屏山风景



电站水坝模型。坝高305米,建成后将成为世界最高的水坝

http://blog.sciencenet.cn/blog-3061-353145.html

10唐常杰赵凤光武夷山王号王海辉刘颖彪梁建华郭向云金小伟李泳

发表评论 评论 (40 个评论)

[40]hyj2009yes 2011-9-6 22:16
我想问博主,引力透镜是凸透镜还是凹透镜呢?
IP: 60.166.128.* [39]已删除 2010-12-14 14:32
此评论已被科学网删除!
IP: 60.166.128.* [38]已删除 2010-12-14 14:32
此评论已被科学网删除!
IP: 132.187.31.* [37][游客]唐健 2010-12-10 22:25
谢谢,写进什么方面的论文?

1012.1872 [hep-ph]. Hope it an answer.
IP: 60.9.59.* [36][游客]刘正管 2010-10-30 20:30
好多天没来,又增加几条评论,对我的各种评论均表示欢迎,有机会再讨论。
我已说过,不再来打扰陈先生,我与陈先生的争论也不是个人意气之争。
前段时间开始梳理“循环宇宙”相关问题,不料,91岁的老母亲突然离世,暂时没有心情继续整理,请网友们耐心等待一些时日。谢谢!
IP: 131.180.37.* [35][游客]资深留级生 2010-10-20 16:44
刘正管不要走,我支持你!虽然你的理论不怎么样,但是给我们长期被压迫的学生出了口恶气。陈学雷老师显然是汤姆逊类型,学生建议他作业留容易一点,他却责怪学生不用功,还拿自己上学的时候说事儿,显然是学生时代受到老师的虐待留下了心理阴影。如果一两个学生反映难也许是学生的问题,大家都反映难一定是真的留难了。就算是严师出高徒,陈老师也不能指望把一群本科生全培养成物理学家吧。学生们敢怒而不敢言,刘正管骂得真解气。哈哈哈。继续继续。广大被教授压迫的学生支持你!
IP: 131.180.37.* [34][游客]龙珠雷达 2010-10-18 18:01
为什么民科最喜欢光顾陈老师的博客. 李淼老师和卢昌海的博客里就没有那么多的民科。民科先用自己的理论算一算原初核合成氦的丰度吧。算出来了再发表意见也不迟。
[33]drm103 2010-9-22 19:06
刘先生想讨论,可见他很热爱宇宙学。但热爱不代表发表的东西对或错。我也是通过中央电视台的节目才对宇宙学感兴趣的。我支持陈先生。我也不知道在我有生之年能对宇宙了解多少。
IP: 221.226.44.* [32][游客]jsunnu 2010-9-14 15:51
这等民科已经走火入魔,不可理喻。
IP: 221.226.44.* [31][游客]jsunnu 2010-9-14 15:50
我原来做粒子物理的,现在想做暗物质了。呵呵。谢谢陈老师。
IP: 60.9.52.* [30][游客]刘正管 2010-9-9 15:45
谢谢陈先生没有继续删除此贴,既然你不奉陪,我也知趣,不会继续来打扰,后会有期。
IP: 110.247.192.* [29][游客]刘正管 2010-9-7 20:38
象条汉子,还算有担当,终于等到你开口,可惜原来是学术霸权、话语垄断。常言道,人在江湖,身不由己,不论海龟还是土鳖,也不论官科还是民科,既然位列颠峰,自当接受挑战,侠风剑骨,当仁不让。循环宇宙与膨胀宇宙华山论剑,决非个人义气,实属卫道明理,国威邦魂,寓于其中。若有勇气,不要删除,惺惺相惜,留作殇者祭文及胜负见证。

博主回复:刘先生我真被你逗乐了,你以为是个人就可以要求聂卫平陪他下十番棋大战吗?我虽然还不够老聂的水平,好歹也是职业选手了,要来挑战你也得打入职业赛啊。你有象样的理论就拿到专业杂志上发表,没有就好好修炼,或者再不然自娱自乐吧,我可不奉陪了
IP: 110.247.193.* [28][游客]刘正管 2010-9-2 16:32
我是个知趣的人,既然陈先生没有“兴趣”讨论,本想不再评论。但仔细想想,膨胀宇宙课题作为国家项目,用得是全国人民的纳税钱,全国每一个人都有权关心、监督、评论,项目主持人也有义务接受全国人民监督、评论,没有权力拒绝。这已经不是我们两个人之间的私人话题,而是全国性的公共话题,所以应该继续评论。而且这种评论很有必要性、现实性、紧迫性:
1、膨胀宇宙论已经制作成电视片在央视播放,收视的人不少,特别是青少年,如果被误导,影响深远,很可能误导几代人,必须澄清。
2、膨胀宇宙论发端于美国,美国的科学确实比较发达,国内有些人对美国盲目崇拜,留学不归、申请美国国籍等等很时髦。但是应该看到,美国科学也存在垃圾、泡沫,不可良莠不分,膨胀宇宙论就是典型代表。留学不容易,不管公费自费,时间、金钱投入很大,学些垃圾回来,岂不可惜。
3、我国正在提倡建设创新型国家,如果一味盲目崇洋,总是跟在人家后面跑,将永远落后挨打,必须敢于独立思考,敢于怀疑,敢于超越。本人经过近两年学习思索,完全可以证明膨胀宇宙论是错误的,循环宇宙论是科学的,因此大胆提出来,供社会评论。
当然,我也再三思考过,如果我错了,愿承担相应法律责任。但是,如果陈先生错了,我倒不希望他承担什么责任,而且希望他继续研究下去,唯心论可以研究,有神论可以研究,为什么膨胀宇宙论不能研究呢?只要指出其错误的地方就可以了。毕竟膨胀宇宙论已经有近百年历史,多少天才头脑的成功经验和失败教训都应该研究总结,都是人类共同的宝贵财富。

博主回复:你连基本的物理学知识都没有,却在这大放厥词,只能说是个妄人。我没有时间和兴趣和你进行所谓的“讨论”,也不会让我的博客成为你炒作自己的平台,所以你那些宣传贴我都会删掉。你要想宣传你自己那一套民科“理论”请自己去开自己的博客,我不会理睬。
IP: 60.9.56.* [27][游客]刘正管 2010-9-1 16:40
客观地说,哈勃观察到的星系红移是客观的、真实的,是一项具有划时代意义的重大发现,为现代宇宙学奠定了第一块基石。星系之间在相互远离也是客观事实,但进一步把它解释成宇宙膨胀就错了,一下子就把宇宙学的方向定错了,形象点说就是,转了向,找不到北。一般而言,整体膨胀局部远离是再自然不过的道理,但对于由离散星体组成的宇宙来说,偏偏不信这个邪,星系远离不是宇宙在膨胀,而是所有星系在万有引力作用下向宇宙中心汇聚,并由此演绎出一幕幕雄壮活泼的循环宇宙活剧,这场活剧的总导演就是牛顿的万有引力原理,而不是暗能量、斥力、奇点等奇谈怪论。
IP: 110.247.110.* [26][游客]刘正管 2010-8-31 16:34
陈先生说的很对,科学不能凭感觉。但整个“膨胀宇宙论”不都是感觉的产物吗?星系红移代表宇宙膨胀,就是一种直观感觉,牛顿万有引力完全可以证明这个直观感觉是错误的,宇宙不是在膨胀,而是动态平衡稳定循环。暗能量、斥力、奇点等等概念,更是子虚乌有的主观臆造,连感觉都达不到。咬文嚼字没有用,回归理性吧,为了中国的科学,也为了自己所珍爱的事业。
IP: 110.247.196.* [25][游客]刘正管 2010-8-30 16:46
陈先生非常诚恳,值得赞赏。我确实是个民科,没学过天文专业,充其量算个业余爱好者,膨胀宇宙论主要还是从你的博客中了解到的,不过感觉这个理论是完全错误的,从星系红移认定宇宙膨胀就开始错了,往后就一错再错,一错近百年,中国跟着错误跑,确实不应该。我不是来吵架的,是善意提醒,有时间和兴趣也可以讨论,没兴趣也就不免强了。
博主回复:科学不能凭感觉。对这样的“讨论”我没有兴趣
IP: 60.9.0.* [24][游客]刘正管 2010-8-29 15:57
写了两个评论,都被删掉,可能是编辑部干的。科学的东西怎么能怕评论呢?
博主回复:我删的。我这里不是民科免费宣传炒作自己的阵地,也懒得与民科吵架。有针对我文章的具体问题可以讨论,至于专门来找我吵架的恕不接待。
IP: 222.128.136.* [23][游客]过客 2010-8-19 10:03
真正科学的东西一定简明至理的东西,可以让广大受众理解,否则何以称为科学?
博主回复:广大受众是可以理解的,但少数人是永远理解不了的
IP: 180.113.2.* [22][游客]huangshunyi 2010-8-18 22:32
其实没什么的,希望“过客”您不要老是挂在心上;其实在你的身上我还是学习到一些优点的,不管你说的是否正确,你总是在坚持自己的见解。有时这是一种正确的做法,想当年爱因斯坦不也是在一片质疑声中走过来的吗?从这点来看,至少比我的同班同学要优秀许多(在应试教育下,他们变得没有质疑精神,这对科学的发展是不利的)。但有时过分“执着”也是会模糊自己的眼睛的,这当中要找到平衡点往往是很不容易的;多听听大家的意见,可以让自己进步得更快,但该坚持己见还是要坚持的。希望我们能成为朋友。陈老师说的问题您可以在细想一下,毕竟他懂得东西比我们都要多一些。还有,陈老师应该很忙的,我觉得他能回复我们,我们也是要懂得感恩的,所以大家应该尽量营造和维护一个好的学术气氛,以讨论的方式解决问题,而不是针锋相对。希望我的这段话能让大家都感觉轻松一些,以后就是朋友了。真的,陈老师的这篇博文非常好,我也是从中学到了东西啊。
IP: 61.48.58.* [21][游客]游客 2010-8-18 21:45
上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见。
IP: 180.113.2.* [20][游客]huangshunyi 2010-8-18 21:44
不好意思,让陈老师误解我是一个大人了(称我为“兄台”);其实我叫黄顺毅,今年只有16岁,叫我小朋友就可以了。是前些日子偶尔看到“科学网”的,发现原来还可以通过这个平台和国家天文台的科学家交流之后,很是激动;作为江苏这边的学生,以前只能在电视机里看到您和其他一些科学家做的一些科普节目,而现在提问还能得到您的回复,感觉很棒!我对物理学有着强烈的兴趣,希望能通过自己的努力成为像您那样的科学家。呵呵。
[19]谭宝林 2010-8-18 09:39
天然岩石都有一定的放射性,主要是有铀(U)、钍(Th)、钾(K)等放射性元素,尤其是钾40在花岗岩中普遍存在,这些放射性元素产生的影响如何剔除?在2500米厚的岩层里对它们的影响的估计误差应该是很大的。

博主回复:您说得很对。我在正文中增加了如下两段,回答您的疑问:

锦屏山还有一个重要优势,在于地下实验室所在处不是花岗岩,而是变质岩,其自然放射性相当低,实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低。

地下暗物质实验除了利用岩层屏蔽高能量的宇宙线外,本身还需要相当复杂的人工屏蔽以消除自然界放射性的影响。以锦屏山的清华实验(CDEX)为例,墙壁有涂层以尽量阻断岩体释放氡气,探测器屏蔽最外层用1米厚的聚乙烯层慢化岩石中同位素放射性产生的中子,中间用20厘米的铅层屏蔽伽玛光子,里层用15厘米的无氧铜屏蔽。在这些被动屏蔽层的里面,还有主动屏蔽层,探测穿越了上述几层屏蔽以及屏蔽层自身内微量同位素放射产生的粒子,从而否决(veto)由这些辐射产生的事件。所有这些屏蔽层以及探测装置自身的材料选择都非常讲究,以尽可能降低屏蔽材料和探测器中自身含有的微量放射性同位素的。高纯锗探测器本身所用的锗纯度达13个9,以降低其自身放射性。
IP: 95.89.144.* [18][游客]唐健 2010-8-18 03:50
可喜可贺,我最近刚刚去问了清华负责人关于CJPL的方位,马上我们就会把这个实验室写进论文了。呵呵.......也许将来我们可以让这个地下实验室做各方面的研究,比如地质方面,生物方面,宇宙射线等等研究。

博主回复:谢谢,写进什么方面的论文?
IP: 61.50.133.* [17][游客]过客 2010-8-17 08:07
引力透镜已成为众所周知的事,能用于证明反物质或暗物质存在?想听听huangshunyi先生的高见。

如果正解引力透镜,这应该说光子是有静止质量的,但是与相对论对静止质量的观点有悖,因此,这只能说明相对论本身存在缺陷。
IP: 117.84.177.* [16][游客]huangshunyi 2010-8-16 21:02
如果过客说的是对的,那请过客帮忙解释一下引力透镜现象;反对至少拿出论据嘛,您说对吧。
博主回复:从“过客”的寥寥几句评论已经可以看出,显然他根本不知道什么是反物质,什么是暗物质,对此二者都只是“望文生义”的理解而已。对相对论的理解也显然是错的,所以对这样的妄人,兄台不必答理。
IP: 61.50.133.* [15][游客]过客 2010-8-16 10:42
关于暗物质、暗能量等一些虚妄的问题,总是伴随着“可能”、“很可能”,似乎很科学,至少态度很科学!

但是我可以肯定地告诉博主,博主所说的这些都不可能!因为其背后的认识论就是不科学的。
[14]张珑 2010-8-16 08:55
这些暗物质如果存在的话,穿过人体时是否会对人体的dna产生影响,如果会的话,与宇宙射线相比,那个的影响大一些呢。
博主回复:这些暗物质与人体的相互作用次数远低于宇宙线
IP: 180.113.90.* [13][游客]huangshunyi 2010-8-16 00:22
我们追求的物理学的圣杯是“大统一理论”;能预言这个理论确实存在吗?我们可以为研究某个分支理论想一系列的方法,但似乎“大统一理论”还十分遥远哩。假设某一天某个研究小组声称他们总结出了GUT,是否意味这人类已经达到理性的极致呢?希望万有引力能尽早"归队",完成爱因斯坦的梦想。
博主回复:我认为,迟早有一天人们可以发现一种理论,足以统一现在所有已知的粒子和相互作用,其实现在也有一些这样的理论,只是还没有得到验证。但是,很可能在这过程中我们又会发现一些意想不到的东西。
IP: 180.113.90.* [12][游客]huangshunyi 2010-8-15 23:46
不好意思,我指的是以目前的观测结果,暗物质所占比例非常大;“重如山”只不过是一个形象的比喻罢了。另外,我还是看过您在央视十套中《宇宙大爆炸》作为嘉宾的呢。祝愿地下实验室能够借助比较好的地理环境取得暗物质研究方面的一些进展。
博主回复:谢谢
IP: 222.128.149.* [11][游客]过客 2010-8-15 22:34
反粒子存在!因为粒子存在。但反物质不存在。问:谁的反物质?如果那个“谁”不确定,如何甄别反物质?

暗物质?更是莫须有!这可以拭目以待。
博主回复:您的逻辑真混乱,无语。
[10]王海辉 2010-8-15 20:52
漂亮。。。这个课题好神秘
博主回复:谢谢。
IP: 180.113.90.* [9][游客]huangshunyi 2010-8-15 20:31
真是一种奇妙的物质,看不见,摸不着,重如山。相信有了这么好的地理环境,将有助于我国探究暗物质的物理性质。
博主回复:重如山?
IP: 202.127.26.* [8][游客]西兰花 2010-8-15 19:03
暗物质不是由基本粒子组成,根本对它一无所知。你有什么方法检测他的存在呢?
博主回复:暗物质也有可能不是由基本粒子组成,真是那样的话当然探测就困难多了。但是既然我们迄今已知的所有物质都是由基本粒子组成的,那么也不妨先假设暗物质是一种未知粒子做些研究。其实,即使暗物质是粒子,也不是都能用这里介绍的实验方法探测到--世界上还没有哪一种实验是万能的。

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