本期人物

中国暗物质实验（CDEX）合作组成员、清华大学工程物理系博士后 代文翰

8月中下旬，一大早，代文翰迎着朝阳，从位于西昌的地上辅助实验室出发，前往两个多小时车程外的国家重大科技基础设施——中国锦屏地下实验室二期极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施（简称“锦屏大设施”）。


去年12月，这个位于凉山锦屏山隧道中部地下2400米处的世界埋深最深、空间最大的深地实验室正式投入科学运行，来自清华大学、上海交通大学等单位的首批10个实验项目组正式进驻。在这里，科学家们将开展粒子物理、核天体物理、宇宙学、生命科学、岩石力学等研究。


一路上，汽车高速行驶，代文翰轻闭双眼，养精蓄锐，这条路他已经走过了很多遍。


2020年，代文翰来到中国锦屏地下实验室一期开展研究，今年博士毕业后继续进行博士后研究，一年中北京、西昌、锦屏三地马不停蹄地跑。“每次前往锦屏大设施都有不同的感受，但兴奋劲儿如初，目标都相同，那就是寻找宇宙幽灵，探测暗物质。”代文翰说。


“守株待兔”探测暗物质

暗物质，通俗来讲就是“看不见”的物质，目前科学家普遍认为它在宇宙中广泛存在，是理解物质构成和宇宙演化的重要关节。但暗物质和普通物质的作用非常微弱且极其稀有，想要使用探测器直接观测到暗物质非常困难。不过，如果能探测到，将为人类认识宇宙带来革命性的突破。


汽车扎进连绵的锦屏山隧道，光线变得昏暗，七弯八拐后，停在实验室一期门口。代文翰下车、开门，径直走进去。碰巧实验组成员在陆续休假，里面人并不多，但两侧摆满了各种各样的探测器，只留下中间一条窄窄的通道，代文翰领着记者来到最里头的一个小房间。这是为直接探测暗物质专门修建的聚乙烯屏蔽室。


简单来说，直接探测暗物质就是等着暗物质跟探测器发生碰撞，相当于“守株待兔”。“这是因为暗物质信号数量非常少，就要把实验地点选在干扰尽可能少的地方，排除包括宇宙射线以及混凝土和不锈钢等材料带来的各种干扰。”代文翰说，锦屏地下实验室岩石垂直覆盖约2400米，在这里接收到的宇宙射线通量是地面接收到的一亿分之一。


为进一步排除环境放射性干扰，眼前的这个聚乙烯屏蔽室进行了“全副武装”——直径和高度6厘米、重约1公斤的高纯锗探测器外面，依次是20厘米厚的铜、20厘米厚的含硼聚乙烯、20厘米厚的铅和1米厚的聚乙烯。代文翰说，通过层层屏蔽搭建了一个非常纯净的空间，尽可能控制环境本底的干扰。


随着实验不断深入，探测器技术的难度随之增加，挑战性也在增加。自2010年入驻实验室一期以来，实验组从高纯锗探测器只有1公斤重的CDEX-1，到10公斤重的CDEX-10，目前正在积极准备在实验室二期锦屏大设施开展百公斤级探测器阵列大实验，探测器的规模和实验灵敏度都在不断提升。


在世界最大聚乙烯屏蔽舱

开展低辐射本底测量

在实验室二期锦屏大设施，世界上体积最大的聚乙烯屏蔽舱已经建成，六面都覆盖着一米厚的聚乙烯。在这里，实验组同步开展低辐射本底测量与分析以及超纯材料制备与检测。


走进舱内，桌上摆放着六个球和一个中子管，一齐构成了测量中子通量的仪器。代文翰说，根据对仪器数据的分析，实验组发现这里的中子通量已经被抑制到了非常低的水平，有利于未来开展各种低辐射本底测量实验。


实验并非一帆风顺，实验组时常会碰到一个个问题。譬如，测量到的信号不是那么干净，有一些噪声，因此就要花上好几天尝试去掉这些噪声。“经过努力丢掉噪声，得到了非常干净的信号，这时会让我感到很振奋，可以说是心动的时刻。”代文翰说。


这份心动不仅来自于代文翰，还来自于与他一同做实验的组员，激励着他们不断向前。截至目前，实验组已取得了一系列国际领先水平的物理成果，推动我国自主暗物质直接探测研究从无到有，并达到国际先进水平。


这些成果也让中国锦屏地下实验室的建设方雅砻江公司备受鼓舞。锦屏大设施的建设中，他们克服了岩爆等困难，创新研发了世界首例防水抑氡等关键工艺，完成了低本底材料研发、极深地下消防系统建设，为科学家们提供了优异的深地科研平台。接下来将根据科学家的需求不断提升环境条件，全力保障前沿科学实验开展。


展望未来，实验组认为，只有持续努力才有可能出成果，但如果没有探测到暗物质，也能告诉后人这条路走不通，可以走别的路。“所以，不管发现还是没发现暗物质，都是人类认识宇宙的一个进步，这件事本身就很有意义。”


川观新闻出品

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记者 宁宁

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剪辑 朱文博

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