作者 Rashmi Shivni
插图 Sandbox Studio
翻译 杨逢源
审校 寒冬
高能亚原子粒子像雨滴一样不断轰击地球表面。宇宙射线在上层大气中发生相互作用产生的不可见的“雨滴”，会造成非常嘈杂的背景辐射，掩盖住科学家寻找的新粒子或自然力的信号。而解决方法就是将实验转移到我们拥有的最好的天然保护伞下：地壳。
虽然建设难度大，进入也不方便，但地下实验室无疑是观测罕见粒子相互作用的理想理想场所。上方的岩石会帮助实验屏蔽掉讨厌的粒子沉降，防止 μ 介子等因素的干扰。
早在60年代初，印度科拉尔金田和南非东兰德金田的研究人员就意识到，如果他们到达地下足够深的地方，就有可能在宇宙射线与大气相互作用的嘈杂背景中清晰地探测到高能粒子。两组人员都报道了在地下不同深度对大气中微子的首次观测。
即使整个设施都处在地下，极度灵敏的探测器往往还需要额外屏蔽掉杂散粒子以及岩石和设施产生的少量辐射。
世界各地的地下实验室科学家进行着不同的实验，为了一个共同的目标：回答关于物质和能量本质的问题。现在让我们更多去了解这些挖掘宇宙的秘密的设施，它们位于地下一千米甚至更深的地方……
神冈观测站地下1000米，1983年建成神冈观测站（Kamioka Observatory）坐落于岐阜县飞驒市神冈町的茂住矿山一个深达1000米的废弃砷矿中。矿井是地下科学设施的理想家园，因为山中和地面下有许多已经挖掘好的大型孔洞可供利用，这样就不用挖掘新的孔洞。
神冈探测器的最初目的是搜索质子的自发衰变来理解物质稳定性，该实验被命名为“神冈核子衰变实验”。由于中微子是搜索质子衰变的重要背景，中微子研究也成为该实验的一项重要内容。
神冈观测站用来探测来自超新星、太阳、我们的大气层和加速器的中微子。2015年，Takaaki Kajita 因在超级神冈实验中发现大气中微子振荡，与加拿大萨德伯里中微子观测站分享了该年的诺贝尔物理学奖。
斯托尔地下物理实验室地下1000米，建设中斯托尔地下物理实验室（SULP） 坐落于澳大利亚维多利亚州的斯托尔金矿，目前还在建设当中。它将与意大利的格兰萨索国家实验室进行密切合作，该实验室的主要工作是通过可能途径检测 WIMP 进行暗物质研究。SULP 将确认观测到特定星系的暗物质的量是否会因地球所处位置的不同而变化。
由于澳大利亚位于南半球，与意大利的季节刚好相反，这项季节性的暗物质探测实验也将测试意大利的数据以了解更多有关 WIMP 和暗物质的信息。
动图伯毕地下实验室地下1100米，1998年建成伯毕地下实验室（Boulby Underground Laboratory）坐落于英格兰东海岸的矿井中，由英国科学与技术设施委员会主管。它的深度和辅助基础设施使这里非常适合进行暗物质搜索、宇宙射线实验等传统的低背景地下研究。科学家同时也对物理之外的学科进行广泛研究，包括地质学、地球物理学、环境气候学、极端环境的生命，以及地外生命勘测仪器的开发。
目前伯毕实验室正在进行的暗物质探测实验是 DRIFT-II 实验，是定向的暗物质探测。伯毕实验室依然在进行超低背景下物质活动测量以支持 LZ 实验，这一工作对所有暗物质和罕见事件的灵敏研究都很重要。
动图印度中微子观测站地下1200米，规划中印度中微子观测站（INO）的主要研究领域是不基于加速器的高能物理。该观测站将专注于大气 μ 介子中微子的研究，通过一个5万吨的铁质量热计测定这些难以捉摸的粒子的某些特性。
INO 也将逐步扩展为一个多学科研究机构，并主持一些地质、生物和水文研究。INO 的建设地点拟在印度泰米尔纳德邦的波提普拉姆，目前还在等待州政府批准。
动图格兰萨索国家实验室地下1400米，1987年建成意大利的格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）是目前世界上最大的地下实验室。它是一所高能物理实验室，进行了许多长期的中微子、暗物质及核天体物理实验。
该实验室的 OPERA 实验组尤其值得注意。他们与欧洲核子研究中心 CERN 合作，于2010年首次探测到 μ 子中微子束中（通过振荡）出现的 τ 子中微子。2012~2015年，该实验组又多次宣布探测到 τ 子中微子，由此确认了他们最初的结果。
格兰萨索还与美国费米国家加速器实验室合作开展一个短程中微子项目。在 CERN 被翻新后，格兰萨索的 ICARUS 实验组将加入到费米实验室的另外两个实验组中，搜索第四种中微子——惰性中微子。
动图皮海萨尔米地下物理研究中心地下1440米，1997年建成芬兰奥卢大学在欧洲最深的金属矿——皮海萨尔米矿中运行着这个实验室。由于这个矿区计划在这个十年内关闭，当地就建立了 CLab，将场地出租进行科学和工业用途。实验室主要在地下1420米处，包含了所有的设备、办公室和餐厅。这里还有着世界上最深的桑拿。
该研究中心的主要实验是多 μ 介子阵列实验，在地下75米的一号实验室开展。该实验被用以研究穿过地球的宇宙射线和高能 μ 介子，从而更好地了解大气和宇宙粒子间的相互作用。CUPP 也在地下1430米深的二号实验室开展一些低背景 μ 介子通量测量及未来液体闪烁体探测器放射性碳的研究。
动图桑福德地下研究所地下1480米，2011年建成桑福德地下研究所（Sanford Underground Research Facility）是美国最深的地下物理实验室，坐落于南达科他州布莱克山，由废弃的金矿改建而来。这里曾是 Ray Davis 的太阳中微子实验的所在地，该实验利用四氯乙烯溶液（干洗液有效成分）来俘获太阳中微子。实验结果表明，实际的太阳中微子数目远远小于理论值，只有理论预言的1/3，该结果被称为“太阳中微子之谜”。1998年，SNO 和超级神冈发现中微子振荡，证明了中微子在运动过程中类型会发生改变。Davis 获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
该实验室目前主要进行 LUX 实验（寻找暗物质）、马约拉纳演示（研究中微子的性质），以及地质、工程和生物学研究。桑福德实验室同时主持地下中微子实验，该实验利用装有7万吨液氩的探测器研究800英里外费米实验室发送来的中微子。
动图摩丹地下实验室地下1700米，1982年建成摩丹地下实验室该实验室（Modane Underground Laboratory）地处法国摩丹，位于弗雷瑞斯公路隧道的中间。这一多学科实验室的研究领域包括粒子物理、核物理、天体粒子物理、环境科学、生物学、纳米电子和微电子等多领域的实验。
由法国国家科学研究中心和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）牵头，摩丹实验室的主要基础物理研究工作包括 SuperNEMO 和 EDELWEISS，两项研究内容分别是中微子物理和暗物质探测。
动图巴克桑中微子观测站地下1750米，1973年建成隐藏在高加索山脉的下方比邻巴克桑河，巴克桑中微子观测站（BNO）是当时苏联建设的最早一批地下粒子物理观测站之一。跟其他地下实验室一样，BNO 希望能够尽可能减少背景辐射的干扰。因此，实验室的位置不仅处于地下，且远离另一个背景辐射来源，核电站。
BNO 目前的中微子项目包括“苏联-美国镓实验”（SAGE），“巴克桑地下闪烁计数器望远镜”（BUST）和即将开展的“巴克桑中微子惰性转换实验”（BEST）。他们还将寻找假设中的暗物质候选粒子——轴子。
动图黑水极深地下实验室地下1750米，规划中黑水极深地下实验室（ANDES） 地处智利与阿根廷边界的山脉，将研究中微子和暗物质，同时也进行板块构造、生物学、核天体物理及环境学研究。跟 SUPL 一样，它是规划建于南半球的两个观测站之一。
ANDES 是一个国际实验室，而不仅是国际实验的主办地。它将成为一台大型中微子探测器的家园，旨在探测超新星中微子和反中微子，为北半球的实验室补充数据。它的位置十分理想，既远离核设施又处于大山极深处，这两个条件都能够减少背景噪声。
动图萨德伯里中微子实验室地下2070米，2009年建成萨德伯里中微子实验室（SNOLAB）是北美最深的物理实验室，坐落于加拿大安大略省一座的镍矿中。这个总面积达5000平方米的实验室拥有一流的清洁空间，每立方英尺的悬浮粒子少于2000个。每个进入实验室的人都要提前沐浴并穿上特制的洁净工作服。
SNOLAB 进行高灵敏度的暗物质和中微子研究实验。科学家还计划在测试完成后在该实验室安装新一代低温暗物质搜索装置，SuperCDMS。
SNOLAB 的前身是 SNO（Sudbury Neutrino Observatory）。去年年底，Arthur McDonald 因1998年在这里发现中微子振荡获得诺贝尔物理学奖。分享该奖项的同时还有日本神冈观测站。
动图中国锦屏地下实验室地下2400米，2010年建成中国锦屏地下实验室（CJPL） 是世界上最深的地下物理实验室，位于中国西南部四川省的锦屏山。它的位置十分理想，宇宙射线 μ 介子通量很低，也就意味着它的背景辐射噪声要比其他许多地下实验室少得多。而且由于实验室是建在山下，它拥有水平通道（可以通过汽车）而不是垂直通道（像矿井中的垂直矿梯），方便研究人员的进出。
目前该实验室主办了两项实验期望直接探测暗物质，即“中国暗物质实验组”（CDEX）和“熊猫计划”（PandaX）。CJPL 也同时观测太阳、地球、大气、超新星爆发，及潜在的暗物质湮灭产生的不同来源的中微子，希望能够更多地了解这种难以捉摸的粒子的特性。再过几个月，一个核天体物理实验组以及一台1吨重的中微子探测器将进驻 CJPL-II。
原文链接：
http://www.symmetrymagazine.org/article/1000-meters-below
发表于 2016-7-4 19:00
收藏
分享