Welche Art von Experiment muss 2.400 Meter unter der Erde durchgeführt werden?丨Technologie eines großen Landes

Prüfungsexperte: Chao Wei

Außerordentlicher Professor, Beijing Normal University, PhD in Theoretischer Physik

Die „künstliche Sonne“ brach erneut den Rekord, das im Inland produzierte große Passagierflugzeug C919 nahm seinen kommerziellen Betrieb auf, in den Salz- und Alkaligebieten Xinjiangs gab es eine Rekordernte an Meeresfrüchten, der medizinische Schwerionenbeschleuniger wurde in die klinische Anwendung eingeführt, das erste im Inland produzierte große Kreuzfahrtschiff „AIDA Magic City“ schloss seine Seeerprobung erfolgreich ab und das tiefste unterirdische Labor der Welt wartete auf „Besuch“ der dunklen Materie … Im Jahr 2023 erzielten die Wissenschaft und Technologie meines Landes weiterhin neue Durchbrüche und eröffneten dem menschlichen Leben und der menschlichen Entwicklung neue Möglichkeiten und Chancen.

Anlässlich des 74. Jahrestages der Gründung der Volksrepublik China bietet Ihnen das Digital Beijing Science Center eine Sonderkolumne mit dem Titel „Wissenschaft und Technologie im Stil der Großmächte“, in der wir einen Überblick über die wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften geben, die in diesem Jahr unter der Führung der Partei erzielt wurden.

Stellen Sie sich vor, was können wir 2.400 Meter unter der Erde sehen?

In einem solchen „Abgrund“, der tief in der Autonomen Präfektur Liangshan der Yi in der Provinz Sichuan verborgen liegt, konzentriert sich eine Gruppe von Wissenschaftlern auf die Suche und Erfassung schwacher Blitze verstärkter Kernsignale neben Instrumenten, die ununterbrochen in Betrieb sind.

Dies ist das China Jinping Underground Laboratory (CJPL).

Quelle: Astronomy Online

Das Jinping Underground Laboratory ist Chinas erstes Labor für dunkle Materie und zugleich das tiefste, größte und am besten ausgestattete unterirdische Labor der Welt . Es befindet sich im Jinping-Bergtunnel, 2.400 Meter unter der Erde in der Präfektur Liangshan in der Provinz Sichuan. Dabei können die dicken Gesteinsschichten des Berges genutzt werden, um die Interferenzen durch kosmische Strahlung zu blockieren und so eine einzigartige Umgebung für den Laborbau zu schaffen.

Quelle: Qiguan Staatsvermögen

Um die Genauigkeit der Laborkonstruktion zu gewährleisten, ist die Projektbaupartei bestrebt, die Auswirkungen auf die ursprüngliche Umgebung mit extrem niedriger Strahlung der Höhle durch Maßnahmen wie „Abdichtung und Radonunterdrückung“ zu verringern. Gleichzeitig wurde eine großflächige kombinierte Feststoffabschirmvorrichtung, eine Abschirmkabine aus Polyethylen, errichtet, um geringere Anforderungen an die Hintergrundstrahlung zu erfüllen.

Vor einiger Zeit wurde die zweite Phase dieses Labors abgeschlossen und die Laborkabine ist offiziell in die Phase des sauberen Baus eingetreten. In Zukunft wird es auch eine sehr wichtige Forschungsplattform für die grundlegenden wissenschaftlichen Experimente meines Landes bieten.

Während der Laborreinigungsbauphase wurde die Innenwand der Höhle wasserdicht gemacht und die Radonunterdrückung abgeschlossen. Quelle | Observer.com

Nach der Lektüre sind Sie möglicherweise immer noch etwas verwirrt. Verfügt dieses Labor über fortschrittliche Hochtechnologie? Welche dunkle Materie untersucht es? Was ist der Sinn? Folgen Sie ohne weitere Umschweife dem Herausgeber, um es herauszufinden.

1Warum ist die Konstruktion so tief?

Man kann sagen, dass das Jinping Underground Laboratory „im Abgrund steht und zu den Sternen aufblickt“. Wozu blicken Sie auf? Dunkle Materie. Wer sich für Astronomie interessiert, hat mehr oder weniger schon davon gehört. Dunkle Materie ist eigentlich eine Existenzform, die kein Licht reflektiert oder absorbiert. Es unterscheidet sich von gewöhnlichen Materieformen. Es ist unsichtbar und immateriell und nimmt an keiner elektromagnetischen oder starken Wechselwirkung teil . Man kann sagen, dass es die größte Masse im Universum hat, aber es ist das schwächste „Licht“.

Vergleicht man das gesamte Universum mit einem Ozean, so hat der Mensch aufgrund begrenzter Kenntnisse und Beobachtungsmethoden bisher nur einen kleinen Teil dieses „Ozeans“ erforscht.

Um diese mysteriöse und „scheue“ Dunkle Materie einzufangen, wurden seit dem 21. Jahrhundert international mehr als 20 Nachweisexperimente durchgeführt. Man glaubt, dass derjenige, der als Erster den Schleier lüftet, einen weiteren großen Sprung im Verständnis der Menschheit von der materiellen Welt und dem Universum machen wird.

Gegenwärtig können Methoden zur Erkennung dunkler Materie grob in drei Kategorien unterteilt werden: „in den Himmel gehen“, „unter die Erde gehen“ und „künstliche dunkle Materie“: „in den Himmel gehen“ bezieht sich auf indirekte Erkennungsexperimente , die normalerweise im Weltraum durchgeführt werden, um Störungen durch die Erdatmosphäre zu reduzieren; „Untergrund gehen“ bezieht sich auf Experimente zur direkten Detektion , die normalerweise in unterirdischen Labors durchgeführt werden, um Störungen durch kosmische Strahlung zu reduzieren; Mit „künstlicher Dunkler Materie“ sind Beschleunigerexperimente gemeint, die Dunkle-Materie-Teilchen durch die Kollision gewöhnlicher Teilchen erzeugen und überwiegend am Large Hadron Collider des Europäischen Zentrums für Kernforschung durchgeführt werden.

Das Jinping Underground Laboratory in China wendet eine „unterirdische“ Forschungsmethode an. Um irrelevante Störpartikel im Universum weitestgehend zu entfernen, ist dieser mysteriöse Raum in Liangshan außerdem mit einer mehrschichtigen schützenden „Panzerung“ ausgestattet.

Felsen blockieren kosmische Strahlung, Quelle | Screenshot des Focus-Interview-Videos

Die erste Schicht ist eine natürliche Felsbarriere; die zweite Schicht wird mit 50 cm dickem Beton als sichere Stützstruktur für die Kaverne gegossen; die dritte Schicht besteht aus 1 Meter dickem Polyethylen zur Abschirmung von Neutronen; die vierte Schicht ist ein 20 cm dickes Bleihaus zur Abschirmung von Gammastrahlen; die fünfte Schicht ist ein 20 cm dickes borhaltiges Polyethylen zur Absorption thermischer Neutronen; Die sechste Schicht ist ein 10 cm dickes Kupfergehäuse zur Abschirmung von Gammastrahlen aus externem blei- und borhaltigem Polyethylen. Diese Geräte schützen vor nahezu jeder erdenklichen Strahlungsquelle .

Warum wurde das Jinping-Untergrundlabor, obwohl es das tiefste Untergrundlabor der Welt ist, in der Präfektur Liangshan errichtet? Kann man das nicht woanders bauen?

2Warum sollte es in der Präfektur Liangshan in der Provinz Sichuan gebaut werden?

In China gibt es viele Berge und der Grund, warum die Präfektur Liangshan in der Provinz Sichuan als Standort des Labors ausgewählt wurde, ist „die richtige Zeit, der richtige Ort und die richtigen Leute“.

Im Jahr 2003 suchte das Planungsteam des Dark Matter Laboratory – eine Gruppe der Fakultät für Technische Physik der Tsinghua-Universität – im ganzen Land nach einem geeigneten Standort für den Bau eines Labors. Während sie die Nachrichten sahen, entdeckten die Teammitglieder plötzlich, dass in der Jinping-Bucht des Yalong-Flusses in Liangshan, Sichuan, ein groß angelegtes Wasserkraftwerksprojekt für Jinping gebaut wurde. Die Gesteinsschicht ist hier dick genug und verfügt über natürliche geografische Vorteile. Darüber hinaus gibt es einen Jinping Mountain Traffic Tunnel, der die beiden Kraftwerke verbindet . Wenn hier ein Labor gebaut wird, wird dies auch den Zugang und das Verlassen des Forschungsteams erleichtern.

Daher reiste das Team der Tsinghua-Universität nach Sichuan, um mit der für den Bau des Wasserkraftwerks zuständigen Einheit, der Yalong River Basin Hydropower Development Co., Ltd., zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten. Nach zahlreichen Verhandlungen konnte der Deal schließlich erfolgreich abgeschlossen werden.

Kooperationszeremonie, Quelle | Offizielle Website des Jinping Underground Laboratory

Aus diesem Grund wurde 2009 mit dem Bau der ersten Phase des Dunkle-Materie-Labors mitten im Jinpingshan-Verkehrstunnel begonnen. Es wurde 2010 offiziell in Betrieb genommen und schloss damit die Lücke, die der Mangel an unterirdischen Laboren in China mit sich brachte.

Quelle | Offizielle Website des Jinping Underground Laboratory

Aufgrund der hochwertigen Zusammenarbeit in der ersten Phase des Projekts setzte das Team der Tsinghua-Universität im Jahr 2014 die Zusammenarbeit mit dem Bauteam des Yalong-Fluss-Wasserkraftprojekts fort, um mit dem Bau des Projekts „Phase II des Jinping Underground Laboratory“ zu beginnen. 2015 wurde der Hochbau des Laborprojekts Phase II abgeschlossen; Im Jahr 2020 wurde offiziell mit dem Bau der „Extremely Deep Underground Extremely Low Radiation Background Frontier Physics Experimental Facility“ begonnen, die auf dem Bau der Laborphase II basiert und im nationalen Plan für wissenschaftliche und technologische Infrastruktur „13. Fünfjahresplan“ enthalten ist. Die Inbetriebnahme ist für 2024 geplant.

3 Hochtechnologie hinter dem Labor

Das Jinping Underground Laboratory ist das unterirdische Labor mit der dicksten Felsdecke der Welt. Der kosmische Strahlungsfluss im Labor beträgt etwa ein Milliardstel des Flusses auf der Erde und bietet so eine sehr „saubere“ Testumgebung für Experimente zur Dunklen Materie.

Darüber hinaus verfügt das Jinping Underground Laboratory über jede Menge Hightech-Knowhow, darunter Wasserdichtigkeits- und Radonunterdrückungstechnik, extrem sauberes Design, Messung von extrem niedrigem Hintergrund, Erkennung von hochreinem Germanium usw.

Der Berg Jinping liegt am Hauptstrom des Yalong-Flusses. Das Gebiet weist eine wasserreiche Geologie und ein regnerisches Klima auf, sodass der Wassergehalt im Gestein sehr hoch ist. Darüber hinaus wird auch der aus den Gesteinsschichten des Berges ausgefällte Stickstoff einen großen Einfluss auf die Entdeckung dunkler Materie haben. Um eine gute experimentelle Umgebung für die Forschung zur Dunklen Materie bereitzustellen und Störungen durch unnötige Faktoren zu reduzieren, sind daher Projekte zur Abdichtung und Stickstoffunterdrückung erforderlich.

Laboradresse, Quelle | Offizielle Website des Jinping Underground Laboratory

Feuchtigkeit und Stickstoff sind in der tiefen Erdumgebung allgegenwärtig und die Baueinheit brauchte viel Zeit, um sie vollständig zu isolieren. Die Baufirma entwarf eine komplexe Struktur mit bis zu 10 Stockwerken und wandte ein integriertes Entwässerungs- und Abdichtungsverfahren an. In die äußere Schicht der Felswand wurden Ankerstangen eingetrieben, Drainageplatten verlegt und Gummiabdichtungsbeschichtungen, Zementspritzmörtel, Polyurethankitt usw. aufgesprüht. Nach mehr als sechs Monaten des Testens und Korrigierens gelang es ihnen schließlich , Wasser und Stickstoff außerhalb des Labors zu blockieren .

Jinpingshan-Tunnel, Quelle | Nachrichtenagentur Xinhua

Beim Bau des Labors werden an allen Anschlüssen luftdichte Türen eingebaut und Reinigungskanäle für Personen- und Materialströme mit Bedacht konzipiert. Durch den Einsatz hocheffizienter Filterdichtungen und der Nutzung von Grundwasser zur Temperaturregelung wird sichergestellt, dass die Temperatur im Labor stets bei angenehmen 25 °C liegt. Gleichzeitig liegt die Luftfeuchtigkeit unter 65 %, sodass eine saubere und ordentliche Forschungsumgebung für Versuchspersonal und -geräte gewährleistet ist.

Um die Genauigkeit der Versuchsergebnisse sicherzustellen, führte das Labor außerdem mithilfe von GeTHU Messungen bei extrem niedrigem Hintergrund durch . Alle Substanzen haben eine Hintergrundstrahlung. Durch die Überprüfung hochwertiger Materialien mit geringer Hintergrundstrahlung und die genaue Kontrolle der Menge experimenteller Materialien können Forscher sicherstellen, dass die experimentelle Umgebung nicht durch Strahlung anderer Substanzen beeinträchtigt wird.

Spektrometer der GeTHU-Serie, Quelle | Offizielle Website des Jinping Underground Laboratory

Unter dem Schutz einer schweren „Panzerung“ befindet sich im unterirdischen Labor von Jinping in einer Umgebung mit flüssigem Stickstoff mit niedrigen Temperaturen ein 1 kg schwerer experimenteller Detektor aus hochreinem Germanium zum direkten Nachweis dunkler Materie. Es besteht aus „Germanium“, dem reinsten Kristallmaterial der Welt .

Der Herstellungsprozess von Detektoren aus hochreinem Germanium ist sehr komplex und die technische Hürde ist sehr hoch. Nur drei europäische und amerikanische Unternehmen beherrschen diese Technologie. Daher begannen chinesische Wissenschaftler bei Null und entwickelten erfolgreich eine Fertigungstechnologie, die das Niveau der Dunkle-Materie-Forschung im Land erheblich steigerte.

Das Forschungsteam führt Messungen der materiellen Radioaktivitätshintergrunds durch. Quelle: Science and Technology Daily

Vom Projektbeginn über den Bau bis hin zur Fertigstellung des Jinping Underground Laboratory vergingen Jahrzehnte. Obwohl wir die Natur der dunklen Materie noch nicht entschlüsselt haben, arbeiten chinesische Wissenschaftler im Stillen daran.

Wir müssen Licht in die Dunkelheit bringen und die mächtigsten Waffen des Landes bauen, die im Mittelpunkt der Erde Wurzeln schlagen. Obwohl wir immer noch auf den ersten „Schimmer“ einer Kollision dunkler Materie warten, können wissenschaftliche und technologische Entwicklungen nicht über Nacht erreicht werden. Das Unbekannte zu erforschen und in der Ungewissheit Gewissheit zu finden, ist vielleicht der Reiz der Wissenschaft.