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这些“熊猫人”扎进2400米深洞守着暗物质过年,重启世上最灵敏探测器之一
解放日报
“我们总共要灌900立方米纯水,预计要好几周,年后才能完成。”腊月廿三“小年”,上海交通大学物理与天文学院副教授黄俊挺,远在四川凉山地区锦屏山的地下实验室。他们两名教师带着4名研究生,扎进地下2400米的这个深洞,守着看不见、摸不着的暗物质过年。
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
为了“锦屏大科学设施”中的“熊猫计划”PandaX实验尽快恢复运行,这些被称为“熊猫人”的高校师生龙年新春期间“两班倒”轮流值班,以便重启这一世界上最灵敏的暗物质探测器之一。“谁能率先找到暗物质,谁就能在科学上走在前头。”
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
【第15个年头,多校师生不远千里前赴后继】
2400米深处的洞体,屏蔽了尽可能多的非暗物质信号,为人类探寻暗物质创造了基本条件。中国锦屏地下实验室二期工程主体——锦屏大设施,去年年底前正式投入了科学运行。二期在一期基础上扩建而成,其实验大厅在一期附近新开挖了“洞厅”。
解放日报·上观新闻记者了解到,由上海交大牵头的PandaX前两代实验都在一期,而第三代就在二期新的实验大厅,持续利用4吨重的液氙作为“探测载体”,寻找宇宙中暗物质和中微子信号。大设施建设期间,PandaX实验还在停机一年时间内,借机进行了探测器升级。
“本世纪以来,国际上相继开展了20多项暗物质探测实验。最近15年间,一批批‘熊猫人’不远千里,前赴后继扎根地下深洞。”参与项目已有5年的2019级博士研究生曾鑫宁告诉记者。早在2018年,上海交大李政道研究所刘江来教授的一场学术报告,让自己知道“宇宙星辰与我有关”。从那时起,仰望星空的好奇与想象,变成了脚踏实地的钻研与摸索。小曾说,今年春节,很荣幸从前辈的手中接过科研接力棒。
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
2009年开始,上海交大与合作单位北京大学、北京航空航天大学、山东大学、复旦大学、中国科学技术大学、中山大学、南开大学、成都理工大学和雅砻江水电公司等,使中国人的液氙探测器不断迭代,灵敏度达到了国际领先水平。目前,第三代四吨级实验的试运行数据再次刷新了暗物质探测的极限,并在国际上首次系统而全面研究了暗物质的电磁属性。
2023年,他们团队发表了全球同类实验的首篇《自然NATURE》文章,对”暗物质有多暗“这一基础问题给出了掷地有声的回答。同时,还在物理学国际顶级期刊《物理评论快报》上发表多篇论文,描绘了完备的暗物质研究蓝图。
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
【7×24小时,终年无休陪着暗物质现身】
在欧美同类型实验的激烈竞争背景下,PandaX第三代停机升级后还需尽早恢复物理取数。今年春节期间正是实验恢复运行的关键阶段,黄俊挺等6人受命进驻地下实验室。团队住在进洞口附近的宿舍里,一般值班一天、进洞两次:早晨和下午。“目前还差纯水屏蔽体,所以我们现在每天排班‘灌纯水’,从早晨9点到晚上11点,”黄俊挺用大白话说,主要是担心纯水系统离电源太近,要是意外漏水可能会有很大麻烦,没有人的时候还不敢灌水。
同时,去年年底新一代实验安装了几百只光电倍增管,寒假期间要为它们准备高压和读出系统。此外,还要改造循环管路,进一步去除放射性的本底噪声。总体上,从电子学系统、制冷循环系统到精馏提纯系统等,各系统联合运行才能保证液氙探测器稳定运行。整个系统比较复杂,尤其是制冷系统,有许多参数需要监测。“我们有一套系统,有问题会发警报;如果自己解决不了,就联系相关系统的专家解决。”
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
黄俊挺是第一次春节值守在锦屏,而每年都有不同的老师轮流进洞。“粒子物理实验一般都是每天24小时值班,全年不间断,这在世界各地都一样,总是有人要在假日值班。”黄俊挺坦陈,值班是了解探测器运行的最好方式,非常有用也很有趣。“我们的目标是研究暗物质是什么,以及中微子的粒子基本性质,这些都和宇宙演化、星系形成以及我们为什么存在,有密切关系。这个目标给了我们动力。”
人类距离拿到暗物质的铁证还有多远?“经过全球科学家的共同努力,暗物质的参数空间不断被压缩,留给人类的未至之境已经不多了。”但曾鑫宁表示,“当前国际竞争态势下,我们尽管已经取得了一些成就,但仍需焚膏继晷。”
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
【四川师傅当司机,过年给老师同学备火锅】
探测器提供了海量数据,而要从海量数据中搜寻到暗物质信号,又是一道难题。已经数不清有多少个日夜,老师同学们讨论数据中看到“异常”情况,看到蛛丝马迹,由此推理探测器中发生的物理过程。“这是程序有误,还是真实物理?这真的就是暗物质信号?”刘江来老师曾对曾鑫宁说,数据分析就像一个侦探破案,猜测、讨论、验证以及失败推倒重来,然后继续猜测、讨论、验证,直到真相浮出水面。
纯净的地下,他们依然穿戴头套、口罩、鞋套与实验服。“一切都是为了让我们的探测器足够‘干净’,保证当暗物质来临时,我们能够观测到它。”曾鑫宁这样说,这种粒子物理实验与大多数人想象中的科研还是不同。它既有基础物理的前沿课题,也有工程技术的卡脖子难题。基于双相液氙的时间投影室技术,这类暗物质探测尤其如此。在构成探测器的多个子系统中,用于搭建系统的每一个材料和部件都需要经过严格的放射性检验,每一个结构也都经过了反复讨论与测试。
PandaX实验组在锦屏地下实验室。
黄俊挺笑言,“不过大家不要被吓到了,科学研究还是非常有趣的;人们一般要花钱到山里度假,以后我希望有机会带自己小孩进山看一看,也希望大家让孩子了解科学研究多种‘酷’的方面。”他认为,反正过年时间都是人为规定的,可以选个其他的时间过,“带家人和娃出去,自己给自己放个假。”
师生之外,当地司机陈师傅过年也在山上过,因为开进这么深的隧洞必须搭车。这位四川人说,过年给老师和同学准备火锅,“年前几天还要下山采购一些年货。”和平时一样,这些“熊猫人”在山里也搞搞文体活动,比如打羽毛球、玩桌游等。黄老师说,“我最近从学生那里学会了打‘乌诺UNO’变色纸牌游戏,就挺有趣的,和学生打交道也年轻了。”
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