地下2,400メートルでどんな実験をする必要があるのか​​丨大国の技術

監査専門家：チャオ・ウェイ

北京師範大学准教授、理論物理学博士

「人工太陽」が再び記録を更新し、国産大型旅客機C919が商業運航を達成し、新疆の塩性アルカリ地帯では海産物が豊作となり、医療用重イオン加速器が臨床応用され、国産初の大型クルーズ船「愛達魔城」が海上試験を無事に終え、世界最深の地下実験室は暗黒物質の「訪問」を待っている... 2023年、わが国の科学技術は新たな飛躍を遂げ続け、人類の生活と発展に新たな可能性とチャンスをもたらしました。

中華人民共和国建国74周年を記念して、北京デジタル科学センターは特別コラム「大国科学技術スタイル」をお届けし、党の指導の下で今年達成された科学技術の成果を振り返ります。

想像してみてください、地下2,400メートルで何が見えるでしょうか?

四川省涼山イ族自治州の奥深くに隠されたそのような「深淵」で、科学研究者のグループが、休みなく稼働している機器の横で、増幅された核信号のかすかな閃光を探索し、捉えることに集中している。

ここは中国金平地下実験室（CJPL）です。

出典: アストロノミーオンライン

金平地下実験室は中国初の暗黒物質研究室であり、世界で最も深く、最も大きく、最も設備の整った地下実験室でもある。四川省涼山県の地下2,400メートルにある金平山トンネル内にあります。山の厚い岩層を利用して宇宙線の干渉を遮断し、実験室建設のためのユニークな環境を作り出すことができます。

出典：七官国有資産

プロジェクト建設側は、実験室建設の精度を確保するため、「防水・ラドン抑制」などの対策を通じて、洞窟本来の極めて低い放射線環境への影響を軽減するよう努めている。同時に、より低い放射線バックグラウンド要件を満たすために、大規模な複合固体遮蔽装置であるポリエチレン遮蔽キャビンが建設されました。

少し前に、この実験室の第 2 フェーズが完了し、実験室キャビンは正式にクリーン建設段階に入りました。将来的には、我が国の基礎科学実験にとって非常に重要な研究プラットフォームも提供することになります。

実験室のクリーン建設段階では、洞窟内部の壁の防水およびラドン抑制工事が完了しました。ソース |オブザーバー

これを読んでも、まだ少し混乱しているかもしれません。この研究所には高度なハイテク技術がありますか?研究対象となる暗黒物質とは何ですか?何がポイントですか?さっそく、編集者の言うとおりに答えを見つけてください。

1なぜこんなに深い構造になっているのですか?

金平地下実験室は「深淵に立って星空を眺めている」とも言える。あなたは何に憧れていますか？暗黒物質。天文学に興味がある人なら、多かれ少なかれ天文学について聞いたことがあるでしょう。暗黒物質は、実際には光を反射も吸収もしない一種の存在です。それは物質の一般的な形態とは異なります。それは目に見えず、触れることもできず、いかなる電磁相互作用や強い相互作用にも関与しません。宇宙で最も大きな質量を占めていると言えますが、最も弱い「光」です。

宇宙全体を海に例えると、これまで人類は限られた理解と観測方法のため、この「海」のほんの一部しか探査できていない。

この神秘的で「内気な」暗黒物質を捉えるために、21世紀以降、国際的に20以上の検出実験が行われてきました。誰が最初にそのベールを脱いだかによって、人類の物質世界と宇宙に対する理解がさらに大きく前進すると人々は信じています。

現在、暗黒物質の検出方法は、「上空へ行く」、「地中へ行く」、「人工暗黒物質」の3つに大別できます。「上空へ行く」は間接的な検出実験を指し、通常は地球の大気からの干渉を減らすために宇宙で行われます。 「地下に潜る」とは、宇宙線からの干渉を減らすために通常地下の実験室で行われる直接検出実験を指します。 「人工暗黒物質」とは、主に欧州原子核研究センターの大型ハドロン衝突型加速器で行われる、通常の粒子の衝突によって暗黒物質粒子を生成する加速器実験を指します。

中国の金平地下実験室は「地下」研究方式を採用している。宇宙の無関係な干渉粒子を最大限に排除するために、涼山のこの神秘的な空間には、多層の保護「鎧」も装備されています。

岩石が宇宙線を遮る、出典 |フォーカスインタビュービデオのスクリーンショット

最初の層は自然の岩の障壁です。 2 層目には、洞窟の安全な支持構造として 50 cm の厚さのコンクリートを注入します。 3 番目の層には中性子を遮蔽するための 1 メートル厚のポリエチレンが配置されます。 4 層目はガンマ線を遮蔽するための厚さ 20 cm の鉛製の建物です。第 5 層は熱中性子を吸収するための 20 cm 厚のホウ素含有ポリエチレンです。 6 番目の層は、外部の鉛とホウ素を含むポリエチレンからのガンマ線を遮蔽するための厚さ 10 cm の銅製のハウスです。これらの装置は、考えられるほぼすべての放射線源を遮断します。

では、世界で最も深い地下実験室である金平地下実験室はなぜ涼山県に建設されたのでしょうか？他の場所に建てることはできないのでしょうか？

2なぜ四川省涼山県に建設されるべきなのか？

中国には山が多く、四川省涼山県が研究所の所在地として選ばれたのは、「適切な時期、適切な場所、適切な人々」が揃っていたからだという。

2003年、清華大学工学物理学部のグループであるダークマター研究所の計画チームは、研究所を建設するのに適した場所を全国で探しました。ニュースを見ていると、チームメンバーは突然、四川省涼山の亜龍江金平湾に大規模な金平水力発電所プロジェクトが建設されていることを発見した。ここの岩層は十分に厚く、自然の地理的利点を備えています。また、両発電所を結ぶ金平山交通トンネルもある。ここに研究室が建設されれば、研究チームの出入りも容易になります。

そこで、清華大学チームは四川省に赴き、水力発電所建設部門である亜龍河流域水力発電開発有限公司と意思疎通と協力を行い、何度も交渉を重ねた結果、ついに契約が無事締結されました。

協力式典、出典 |金平地下実験室公式サイト

そのため、2009年に金平山交通トンネルの途中に暗黒物質研究所の第一期建設が始まり、2010年に正式に運用が開始され、中国の地下深部実験室の不足を埋めました。

ソース |金平地下実験室公式サイト

2014年、プロジェクトの第1フェーズでの質の高い協力により、清華大学チームは亜龍江水力発電プロジェクトの建設チームと引き続き協力し、金平地下実験室第2フェーズプロジェクトの建設を開始しました。 2015年に、研究所フェーズIIプロジェクトの土木工事が完了しました。 2020年には、実験室第2期建設に基づき、「第13次5カ年計画」国家重点科学技術インフラ計画に盛り込まれた「極深地層極低放射線フロンティア物理実験施設」の建設が正式に開始され、2024年に運用開始される予定である。

3研究室の背後にある高度な技術

金平地下実験室は、世界で最も厚い岩盤を持つ地下実験室です。実験室内の宇宙線量は地上の約10億分の1であり、暗黒物質実験のための非常に「クリーン」な試験環境を提供します。

さらに、金平地下実験室には、防水およびラドン抑制工学、極限のクリーン設計、超低バックグラウンド測定、高純度ゲルマニウム検出など、多くのハードコアなハイテクが備わっています。

金平山は亜龍江の本流沿いに位置しています。この地域は水が豊富な地質と雨の多い気候のため、岩石の水分含有量は非常に高くなっています。さらに、山の岩層から沈殿した窒素も暗黒物質の検出に大きな影響を与えるだろう。したがって、暗黒物質研究のための良好な実験環境を提供し、不要な要因からの干渉を減らすために、防水および窒素抑制プロジェクトが必要です。

研究室の住所、出典 |金平地下実験室公式サイト

水分と窒素は地球深部のあらゆる場所に存在するため、建設部隊はそれらを完全に隔離するのに多大な時間を要しました。建設会社は最大10階建ての複雑な構造を設計し、排水と防水を一体化した建設プロセスを採用しました。岩壁の表層部にアンカーロッドを打ち込み、排水板を敷き、ゴム防水材、吹付セメントモルタル、ポリウレタンパテなどを吹き付けました。 6か月以上のテストと修正を経て、ついに研究室の外部への水と窒素の流入を遮断することに成功した。

金平山トンネル、出典 |新華社通信

実験室の建設においては、すべての接続部に気密扉を設置し、人や物の流れに対する浄化経路も十分に考慮して設計されています。高効率のろ過シールを使用し、地下水を使用して温度を制御し、実験室内の温度が快適な 25 ℃ に保たれるようにします。同時に、周囲の湿度は 65% 未満に保たれ、実験者と装置にとって清潔で整頓された研究環境が提供されます。

さらに、実験結果の正確性を確保するために、研究室ではGeTHUを使用して超低バックグラウンド測定を実施しました。すべての物質にはバックグラウンド放射線があります。高品質で低バックグラウンドの材料を選別し、実験材料の量を正確に制御することで、研究者は実験環境が他の物質からの放射線の影響を受けないことを保証できます。

GeTHU シリーズ分光計、ソース |金平地下実験室公式サイト

金平地下実験室の重い「装甲」に守られた低温液体窒素環境には、暗黒物質を直接検出するための1kgの高純度ゲルマニウム実験検出器が設置されている。世界で最も純粋な結晶素材「ゲルマニウム」で作られています。

高純度ゲルマニウム検出器の製造プロセスは非常に複雑で、技術的なハードルも非常に高いです。この技術を習得しているのは欧米の企業3社だけです。そのため、中国の科学者たちはゼロから始めて製造技術の開発に成功し、国内の暗黒物質研究のレベルを大幅に向上させました。

研究チームは物質の放射能バックグラウンド測定を行っています。出典：科技日報

金平地下実験室のプロジェクト開始から建設、そして完成までには数十年かかりました。暗黒物質の性質はまだ解明されていないが、中国の科学者たちは黙々と研究を続けている。

我々は暗闇に光をもたらし、地球の中心に根付くこの国の最強の武器を造らなければなりません。我々はまだ暗黒物質衝突の「兆し」を待っているが、科学技術の発展は一夜にして達成できるものではない。未知のものを探求し、不確実性の中に確実性を見出すこと、これが科学の魅力なのかもしれません。