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深入2500米地下探测宇宙
极深实验室——研究暗物质的最佳场所
辽宁日报：去年年末，中科院发布一条消息，称我国建成极深实验室，这个“极深实验室”是什么？为什么要建极深实验室？
季向东：那还要从人类研究宇宙的起源谈起，科学家发现宇宙中存在暗物质和暗能量。暗物质是不发射任何光及电磁辐射的物质。人们通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前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。暗物质没法直接观察到，但它却能干扰星球，其存在能被明显地感觉到。科学家对暗物质的特性提出了多种假设，但到目前还没有得到充分的证明。因此，暗物质的本质还是一个谜，科学家假设它是一种大质量弱作用粒子，这种粒子与普通物质的作用非常弱，以至于它们虽然存在于我们的周围，却从来没有被探测到过。
暗物质的作用概率极低，每天可能有几万亿个暗物质粒子穿过我们的身体，但每年只有一个或者两个原子核与暗物质发生碰撞。暗物质的信号如此微弱，所以需要提高暗物质探测器的灵敏度。方法有两个：一个是增加探测器的质量，另一个是降低噪声，也就是外界信号的干扰，噪声主要来自宇宙射线和中子。因此，为了尽可能减少干扰噪声，必须把探测器深埋地下，这就是所谓的地下实验室。地下实验室越深，对宇宙线的屏蔽效果就越好，宇宙射线及其高能中子引发的噪声信号越低，也就越容易实现高灵敏度。
地下实验室尤其是极深地下实验室，不仅是开展粒子物理与核物理学研究、天体物理及宇宙学等领域的暗物质探测研究，还是中微子物理实验研究等一些重大基础性前沿课题的重要场所，也是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境，同时，也是放射性材料、环境核辐射污染探测的良好环境。
因而建设和发展极深地下实验室具有重要的科学意义和应用价值。
极深地下——宇宙射线很“干净”
辽宁日报：如此看来，地下极深实验室可以为国家提供综合性的重大基础科学和应用科学研究平台，它应该是国家级别的基础科学研究设施。目前从世界上看，发达国家极深实验室的建设情况如何？
季向东：目前，美国、英国、法国、意大利、日本等国家都已经建立起自己的地下实验室。例如：美国科学家现正在美国一个废矿井中建设美国国家地下科学与工程实验室——杜赛尔地下实验室，预计2018年建成后其最深处约为2300米，相当于6座帝国大厦叠加在一起。据估计，这些项目耗资将超过6亿美元。此外，其他国家的科学家也在向更深的地下进军。
我国此前一直没有很好的地下实验室，特别是极深地下实验室，许多相关领域的研究无法开展或只能与国外的实验室合作研究。
辽宁日报：这么说来，我国在这方面的建设走在了世界前列，为尖端科学研究打下坚实的基础。为什么会选择在锦屏山？
季向东：说起来还真是巧合。我国的科学家们也一直在寻找优良的地下实验室。 2008年一个不经意的新闻报道，内容是在2008年北京奥运会开幕之际，四川雅砻江锦屏山水电站工地传来捷报——锦屏山的交通隧道于2008年8月8日18时50分胜利实现双洞贯通！该交通隧道是与锦屏二级电站4条引水隧道平行的两条单车道隧道，两隧道中心间距35米。其中A洞宽5米、高5.5米；B洞宽6米、高6.5米，总长18公里，可以通行汽车，而其上面是2500多米厚的山体岩石。在一般人看来，这个新闻就是听听而已，不会引起注意的，但却让科学家们为之心动：这是一个天赐良机啊！
辽宁日报：嗯，强求不如巧遇，科学家们抓住了好机会。
季向东：让我们兴奋的是，有2500多米厚的山体岩石，这是多么好的屏蔽，国外目前都没有。通过科学家与二滩水电站的合作协商，2009年5月在其隧道中心位置的侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间，作为中国暗物质探测的首个极深地下实验室，通过仪器的测量得到该实验室内的宇宙射线通量降到地面水平的千万分之一至亿分之一，是非常干净的实验环境。不仅如此，锦屏山体不是花岗岩，而是变质岩，其自然辐射相当低，经实验检测，发现其天然放射性辐射比洞外的岩石都低，这正是中国锦屏地下实验室的突出优点。这些因素都说明了此地非常适合做暗物质的探测。当然，一个实验室的优良不仅包括其实验环境如何，还要有便利的交通和后勤保障，使得人员和实验设备容易进出。
暗物质之外——探测地球的内部奥秘
辽宁日报：目前利用这个极深实验室开展了哪些科研工作？工作条件如何？
季向东：目前，该实验室距离西昌市有1.5小时的车程，汽车是可以直接开到实验室门口的，很是方便。二滩水电站公司已经在锦屏山水电站旁边建立了职工宿舍、商店、招待所等，生活必需品很齐全。在这里还是要感谢他们提供的便利条件，使得我们的实验室具备了最基本的电力和生活条件。
该实验室将进驻两个不同探测方式的实验组。其一是清华大学的，他们是利用国际上纯度最高的锗晶体材料制成的高纯锗探测器进行暗物质探测实验研究，目前已启动低温10公斤高纯锗阵列探测器开展暗物质实验研究计划；其二是我们上海交通大学的液氙探测组，将使用液氙探测器在此开展暗物质的直接探测，目前正在研制当中，将于今年进入实验室。两者探测低能区是互为补充的，同时也可以相互验证。
辽宁日报：我个人理解，这个极深地下实验室会不会为探测地球的内部奥秘提供更多的方便？
季向东：从长远来看，极深地下实验室还有其他方面的作用，它是解决深部工程和环境安全关键难题的必要途径。一方面，金属矿山在未来10到15年，开始转入深部开采，深度大于1000米；另一方面，水利水电和交通都需要开挖隧道，不少隧道埋深超过1000米，目前最大埋深为2525米。经济社会的发展需要我们深挖，但同时每年的深部工程灾害事故达到数千起，伤亡人数超千人，数千万设备报废，延误工期半年甚至1年以上，经济损失巨大。这些都需要通过极深地下实验室来研究，为深部工程的施工提供安全方案。我们还可以通过极深地下实验室来了解和研究深部的地球物理，人类对于宇宙了解得很多，甚至登上了月球，然而对于我们居住的地球内部却了解得不够，至今还是没法准确地预报地震。而通过深部观察可以直接观测岩石内部结构，而且干扰小，也可以直接监测地表和地下震动差异，准确了解岩体在地震响应时的特征，从而了解地下应力积累、孕震的情况，推动地震预测研究进一步发展。
辽宁日报：这样说来，建设极深实验室将大有可为，许多前沿科学的研究工作将借此展开。
季向东：我们将开展万有引力的本质研究。牛顿认为万有引力是一种即时超距作用，而爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递。引力辐射是它的另一种称呼，指的是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射，大家都熟悉，同样，有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是爱因斯坦广义相对论的一项重要预言，但至今还没有直接探测到。由于引力波产生的效应很小，如果不主动地将外界干扰去除，不可能从“背景波动”中分辨出引力波信号。目前世界的引力波实验都是通过在地下建立高灵敏探测器来探测的。我们可利用极深地下实验室，通过在地下建立一个L形垂直双臂的原子干涉仪引力波探测天线阵，开展探测引力波实验研究。
总之，我国的极深地下实验室将有望建成国际上深度最大，包括基础物理、岩体力学、地球物理等多学科综合交叉的 “国家级深地实验基地”，提供国际合作研究平台，为国家重点工程安全建设和运行提供科学支撑，面向国内外开放。
专家档案
季向东 上海交通大学教授、物理系系主任、上海交通大学粒子物理宇宙学研究所所长、教育部长江学者，兼任美国马里兰大学教授、马里兰基础物理研究中心主任。美国物理学会会士。现任美国能源部自然科学基金委联合聘任美国国家核科学顾问委员会委员,美国核科学中长期计划委员会强子物理分会主席，美国Jefferson国家实验室运作顾问委员会成员,美国物理学会核物理分会Bonner奖评审小组成员。
记者／周仲全 |
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,当Kp指数达到6或以上时，我国境内有可能观察到极光；当前极光活动水平
，极光为9时漠河可能见极光，
级，当地磁暴级别达到G2或以上时，我国境内有可能见极光
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