一、位于法國與意大利隧道中央的Modane地下實(shí)驗(yàn)室
法國Modane地下實(shí)驗(yàn)室位于法國東部羅納 — 阿爾卑斯大區(qū)（La région Rh?ne-Alpes）薩瓦?。↙a Savoie）的邊境小鎮(zhèn)Modane地下，簡稱LSM（Le Laboratoire Souterrain de Modane）。LSM深藏于阿爾卑斯山脈弗雷瑞斯山峰（Le Mont Fréjus）下1700m的巖石中，處于連接法國薩瓦省和意大利西北的皮埃蒙特（Piémont）大區(qū)的弗雷瑞斯交通公路隧道（Le Tunnel Routier de Fréjus）的正中央，離入口處約6.5公里。LSM地下實(shí)驗(yàn)室面積400m2，空間容積約3500m3。
 
LSM位置示意圖
LSM創(chuàng)建于20世紀(jì)80年代初，是法國國家核物理和粒子物理研究所（IN2P3，Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules）與宇宙學(xué)研究所（IRFU，Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers）的一個聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，二者又分別隸屬于法國國家科學(xué)研究中心（CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique）和法國原子能署（CEA，Commissariat a l’Energie Atomique）?！ ?/P>
LSM的地理位置
LSM地下實(shí)驗(yàn)室入口
LSM1982年正式開放，最初用于屏蔽大氣中的宇宙射線，探測質(zhì)子潛在的不穩(wěn)定性，開展天體物理的基礎(chǔ)研究，揭示宇宙的奧秘（起源、組成和演變）。1988年后，通過國際合作，研究擴(kuò)展至暗物質(zhì)、中微子、雙β衰變和超重化學(xué)元素，涉及核物理、粒子物理、宇宙學(xué)、地球科學(xué)、光譜學(xué)、微電子學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，主要開展了四大實(shí)驗(yàn)：EDELWEISS、NEMO、TGV和SHIN。同時，它擁有14臺高質(zhì)量高純鍺探測器組成的γ能譜超低本底放射性核素測量平臺，用于環(huán)境監(jiān)測、材料遴選、年代準(zhǔn)確鑒定和半導(dǎo)體存儲器靜態(tài)測試。該平臺為世界不同國家和地區(qū)的低放射性水平樣品提供高靈敏度的測量服務(wù)?！ ?/P>
γ譜儀大廳
LSM雖鮮為人知，卻是個超乎尋常的實(shí)驗(yàn)室，也是法國唯一的一個地下實(shí)驗(yàn)室，深度為歐洲之最，在世界上僅次于加拿大的SNOLab（深度2千米）。日前它正積極進(jìn)行升級擴(kuò)建工程，為未來大型實(shí)驗(yàn)開辟新的場所。除10多名永久雇員外，它匯集了全球100多名來自天體學(xué)、海洋學(xué)、葡萄酒學(xué)、電子學(xué)、考古學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等不同領(lǐng)域的研究人員、工程師和技術(shù)人員。他們在遠(yuǎn)離塵囂、設(shè)備齊全的科學(xué)天地中開展實(shí)驗(yàn)。
LSM實(shí)驗(yàn)室示意圖
世界地下實(shí)驗(yàn)室分布圖
LSM是歐洲地下實(shí)驗(yàn)室組織（還包括意大利的LNGS，Gran Sasso，西班牙的LSC，Canfranc, 英國的BUL, Boulby），及歐洲粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)交叉學(xué)科學(xué)研究促進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目（ILIAS）的重要成員，并在2005年與俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所（JINR，Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russie）、2009年與東歐布拉格捷克科技大學(xué)（Czech Technical University, Tcheque）簽訂了國際合作協(xié)議。同時，它與法國國家核物理和粒子物理研究所（IN2P3）、法國原子能署（CEA）分散在法國國內(nèi)的其它實(shí)驗(yàn)室也有著很好的交流和合作。
二、歷史回顧
1979年，一項(xiàng)社會需求和一項(xiàng)科學(xué)需求不謀而合，計(jì)劃啟動：
* 法國交通部決定在阿爾卑斯山中開鑿一條隧道，連接法國的Modane和意大利的Bardonecchia，以便利兩國的交通和交流。
* 法德物理學(xué)家為檢驗(yàn)粒子物理理論，提出進(jìn)行質(zhì)子潛在不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，名為SU5，旨在用實(shí)驗(yàn)證明粒子間不同類型的相互作用力可以統(tǒng)一，即大統(tǒng)一理論（théories de Grande Unification），從而進(jìn)一步推動人類對宇宙的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)必須屏蔽宇宙射線，在地下實(shí)驗(yàn)室完成。
1980年：項(xiàng)目初研，工程動工。
1982年：挖掘工程完工，LSM實(shí)驗(yàn)室開放。
1983-1988年：SU5實(shí)驗(yàn)前后大約進(jìn)行了6年，最終并未在質(zhì)子靈敏度的極限測到其不穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明質(zhì)子壽命比預(yù)計(jì)要長，因此SU5理論被排除。但該實(shí)驗(yàn)為界定“大統(tǒng)一”模型積累了富有價值的資料。
在質(zhì)子研究接近尾聲之際，物理學(xué)家們很快意識到了地下實(shí)驗(yàn)室具備的獨(dú)特優(yōu)勢：宇宙線幾乎完全被屏蔽，流量超低，那么可以開發(fā)新的多學(xué)科“地下活動”，研究非常罕見的物理現(xiàn)象（暗物質(zhì)、雙β衰變）以及環(huán)境科學(xué)（海洋學(xué)、年代鑒定、低放射性水平測量）。
1991年：開始進(jìn)行NEMO II閃爍體的研發(fā)。
1998年：暗物質(zhì)研究裝置EDELWEISS I安裝，并準(zhǔn)備安裝雙β裝置NEMO III。
2000年：建設(shè)NEMO III。
2002年：啟動NEMO III，又稱NEMO Day。
2003年：為保障安全，在實(shí)驗(yàn)室入口處建造了兩道防火門。
2005年：安裝EDELWEISS II。
2007年：EDELWEISS II兩臺新探測器的安裝和運(yùn)行使法國在尋找WIMPs粒子、直接探測暗物質(zhì)方面躋身世界前列。
2011年1月11日，NEMO III終止運(yùn)行。
2009至2013年：LSM將利用地下公路隧道擴(kuò)建的好時機(jī)擴(kuò)建自己的實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的使用空間達(dá)到6萬m3。 
三、揭示宇宙奧秘的理想實(shí)驗(yàn)場所
高能初級宇宙線由以下物質(zhì)組成：
* 質(zhì)子（占85%--90%）
* 氦核（占9%--14%）
* 較重原子核
* 微量反物質(zhì)和正電子
* γ射線和中微子
來自宇宙的粒子不分晝夜、持續(xù)不斷地輻射到地球表面。它們與高層大氣的原子核（氮，氧）相互作用，產(chǎn)生瀑布般的次級粒子流，包括π介子，ｋ介子，μ子，電子，中微子等。
低能宇宙線來自太陽，中能宇宙線來自更遙遠(yuǎn)的星系，譬如：超新星和脈沖星。
最近，阿根廷Auger實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究表明:能量最高的宇宙線來自星系核。星系核中存在眾多黑洞，黑洞是體積超級龐大的超新星在演變過程中的最后階段。在黑洞中，發(fā)生著宇宙中最劇烈最強(qiáng)撼的運(yùn)動。
早在1930年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了宇宙線，并指出：質(zhì)子、電子等基本粒子也可以“自由”地漫游到物質(zhì)之外。不久，人們在尋找和研究罕見物理現(xiàn)象的同時，發(fā)現(xiàn)這些宇宙線嚴(yán)重干擾了科學(xué)實(shí)驗(yàn)，譬如：測量質(zhì)子穩(wěn)定性、研究雙β衰變，探測暗物質(zhì)等。這些實(shí)驗(yàn)不可能在地球表面進(jìn)行，必須在地下實(shí)驗(yàn)室完成。因?yàn)楦采w地下實(shí)驗(yàn)室的巖層有效地屏蔽了地面上來自太陽和太空的宇宙線，包括質(zhì)子、中子、電子、κ介子、π介子、μ子等干擾實(shí)驗(yàn)的粒子，使實(shí)驗(yàn)精確度大大提升，使研究非常罕見的物理現(xiàn)象成為可能。此外，它為在地表無法實(shí)現(xiàn)、需要超低本底的實(shí)驗(yàn)提供了理想場所。
在阿爾卑斯山的Fréjus山頂，宇宙線流量為1千萬/m2/日；在地面，8百萬/m2/日；而覆蓋地下實(shí)驗(yàn)室1700米厚的巖層（等效于4800米的水當(dāng)量）構(gòu)成了有效屏蔽，將宇宙線流量減少了2百萬倍，僅剩4個/m2/日。所以LSM的科學(xué)家們幾乎在無任何干擾的情況下開展實(shí)驗(yàn)。
20世紀(jì)40年代，科學(xué)家在高山之巔研究宇宙線時發(fā)現(xiàn)：除電子、質(zhì)子和中子外還存在其它粒子。為研究這些“新”粒子的性質(zhì)，各國都建造了粒子加速器。如今，隨著科學(xué)的進(jìn)步，粒子加速器的規(guī)模越來越大，能量越來越高?？茖W(xué)家因此發(fā)現(xiàn)了許多影響物質(zhì)和物質(zhì)間相互作用的重大物理規(guī)律，特別是建立了“無限大”和“無限小”之間的深刻關(guān)系，換言之：建立了粒子物理和天體物理之間的關(guān)系，即通過觀察不可見卻真實(shí)存在的粒子無限小現(xiàn)象來揭示大宇宙的奧秘。
四、LSM的四大物理實(shí)驗(yàn)
1.EDELWEISS：探測WIMPs粒子，尋找暗物質(zhì)
在晴朗的夜晚，人們可以舉頭愜意地欣賞深邃的天空和耀眼的星星。借助望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家可以觀察到肉眼看不到的星星和其它太空物質(zhì)?，F(xiàn)在，借助更復(fù)雜精密的儀器，甚至能夠?qū)⒂钪娴摹翱梢姟蔽镔|(zhì)列出完整的清單。但遺憾的是：70年來，天體物理學(xué)的諸多研究資料（宇宙射線各向異性的測量，對遙遠(yuǎn)超新星的光研究，星系群物質(zhì)分布的研究）表明：人類迄今僅認(rèn)知4%的宇宙，而對剩余的，約23%的暗物質(zhì)和73%的暗能量，幾乎還一無所知。它們的數(shù)量和質(zhì)量如此龐大，幾乎主宰了物質(zhì)的運(yùn)動和演化過程，強(qiáng)烈地影響了宇宙的大規(guī)模運(yùn)動。對未曾揭開謎底的、不可見的、隱藏在“黑暗”和“混沌”中的暗物質(zhì)的研究是現(xiàn)代宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)的重大基礎(chǔ)前沿課題。LSM的Edelweiss實(shí)驗(yàn)期望將人類對宇宙的認(rèn)知率提高到30%。
地球以30km/s的速度圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，而整個太陽系以220km/s的高速度圍繞銀河系中心（簡稱銀心）旋轉(zhuǎn)?？梢蕴祚R行空地想象一下：2000億顆星在廣袤的太空，舞動著絕妙的芭蕾。
30年來，科學(xué)家們注意到了這些星體不可思議的高旋轉(zhuǎn)速度。他們將可見星的總質(zhì)量作為星系的總質(zhì)量，便計(jì)算出每一顆星的旋轉(zhuǎn)速度。但實(shí)際上，這些星的旋轉(zhuǎn)速度要比理論計(jì)算的快得多！
因此，科學(xué)家們推斷：有“暗物質(zhì)”潛伏著！
什么是“暗物質(zhì)”？星系中心存在不發(fā)射任何光和電磁輻射的物質(zhì)，稱為“暗物質(zhì)”。
科學(xué)家們猜想暗物質(zhì)是很小的星星，不能發(fā)出燦爛的光。但最近的研究表明，這部分“黯淡”的星最多占暗物質(zhì)總量的10%。其它未知的粒子，自宇宙大爆炸以來就一直存在著的，可能構(gòu)成暗物質(zhì)群。
延伸粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是歐洲核子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。它預(yù)言了一種與物質(zhì)相互作用非常弱的基本粒子WIMPs，其總體體積龐大，可以圍繞星系形成氣體云，但其單個粒子的大小僅約為原子核的10億分之一（原子核：10-12cm）。因此推斷：WIMPs粒子如此之小，以至于它可以自由地穿越地球上所有的物質(zhì)，但其中只有很小的一部分與我們周圍的物質(zhì)發(fā)生作用。地下實(shí)驗(yàn)室最大可能地屏蔽了宇宙射線，使觀察WIMPs粒子成為可能。LSM的Edelweiss實(shí)驗(yàn)專門進(jìn)行暗物質(zhì)研究，試圖尋找和直接探測科學(xué)家們假設(shè)的暗物質(zhì)候選者：WIMPs粒子。
工業(yè)用的鍺探測器不能適用于地下實(shí)驗(yàn)室超低本底環(huán)境的暗物質(zhì)研究，因此，LSM在歐洲粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)交叉學(xué)科學(xué)研究促進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目（ILIAS）的框架下，設(shè)計(jì)和制造了自己的探測器。
Edelweiss實(shí)驗(yàn)組從20世紀(jì)90年代開始研發(fā)第一代超低溫鍺探測器Edelweiss I。它能夠分辨WIMPs粒子弱相互作用的信號和天然放射性核素產(chǎn)生的干擾信號。自2006年以來，實(shí)驗(yàn)組與德國、俄羅斯和英國的科學(xué)家們合作，共同開發(fā)了高靈敏度高純鍺的新一代探測器Edelweiss II。它由高性能的低溫恒溫器、鉛屏蔽、聚乙烯屏蔽、閃爍體等組合而成，最大限度地隔離了周圍放射性核素對探測器的干擾。2007年又研發(fā)了新型鍺探測器，使探測WIMPs粒子的能力大大提高，同時也使法國躋身暗物質(zhì)直接探測的領(lǐng)先行列。
 
新型鍺探測器英文名為InterDigit，簡稱ID，僅重400g，2008年通過測試，2009年應(yīng)用于WIMPs的首次研究。它表面配置電極，可立竿見影地排除天然放射性核素的干擾，是目前世界上尋找暗物質(zhì)最有潛力的探測器之一。在短短6個月里，10臺ID表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性，直接探測能力達(dá)到先前的10倍以上。2009年12月底Edelweiss II公布了的物理研究成果，發(fā)表于Phys. Lett. B 681 (2009) 305-309和Phys. Lett. B 687 (2010) 294-298上。預(yù)計(jì)未來，LSM用于探測WIMPs粒子的探測器數(shù)量還將三倍增長，達(dá)到50臺，最終甚至達(dá)到100臺。
ID鍺探測器，亦被稱作熱輻射測量儀，運(yùn)行在接近零下273.15oC的低溫。它可測量達(dá)到百萬分之一精確值的溫度，并可同時對鍺原子與一個WIMPs粒子發(fā)生對撞后鍺原子核的反沖能量進(jìn)行精確測量。
熱輻射測量儀和溫度傳感器NTD
LSM還研發(fā)了鈮硅鍺探測器（GeNbSi），功能與ID鍺探測器相同，還有球形熱電離鍺探測器、中子探測器等。
另外，LSM還通過改進(jìn)蒸發(fā)系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)了更新型的探測器，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)質(zhì)量從ID200到ID400，再到FID400和FID800。2010年7月3日，4臺FID800安裝在低溫恒溫器中。
FID800和安裝
由于所處地下1700米的特殊地理位置，Modane地下實(shí)驗(yàn)室有效地屏蔽了時刻照射人類的宇宙射線。同時，科學(xué)家們還需要避免探測器受到天然放射性核素的潛在干擾，因此所有建造探測器的材料都經(jīng)過嚴(yán)格篩選、精確測試，為最低放射性水平。高標(biāo)準(zhǔn)的選材也極大地提高了探測器的靈敏度和純度。
然而，地下實(shí)驗(yàn)室中的巖石、建筑材料，甚至物理學(xué)家本身也具有放射性。所以為探測器建造密封的厚厚的屏蔽十分重要。可是，鉛屏蔽中的鉛本身也具有放射性，而且現(xiàn)代化的鉛都?xì)埩糁退降姆派湫?。然而，古代的鉛，卻幾乎是零放射。
Edelweiss使用了從法國西部布列塔尼海域一只失事的老凱爾特船中回收的鉛。該船在公元400年左右從英國出發(fā)，在七島嶼區(qū)沉沒。船身已經(jīng)完全消失，導(dǎo)致鉛裸露，共270塊，重22噸?；厥蘸蟮你U進(jìn)行重新純化和熔化，制成鉛塊，用于保護(hù)高靈敏度的探測器，制造鍺光譜儀，閃爍體和熱輻射測量儀。
不久的將來，距Modane鎮(zhèn)200公里的歐洲核子研究中心（CERN）期待著直接生產(chǎn)出WIMPs粒子，而LSM則期待向世人證明這些粒子實(shí)際上無處不在，充斥著我們的星系---銀河系。
2.NEMO：中微子和雙β衰變研究
LSM的NEMO ( Neutrino Ettore Majorana Observatory )實(shí)驗(yàn)，研究中微子和雙β衰變。
中微子不僅在微觀世界最基本的規(guī)律中起著重要作用，而且與宇宙的起源和演化有關(guān)。
粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為：中微子是零質(zhì)量的基本粒子。盡管它在宇宙中的數(shù)量多如牛毛，但至今仍是眾多粒子中最神秘莫測的粒子，被了解的最少。兩個基本問題待解決：
（1）中微子的質(zhì)量？ 如果有，為何如此之??？絕對質(zhì)量值是多少？
?。?）中微子的性質(zhì)？ 英國保守派科學(xué)家Paul Dirac和意大利年輕的理想主義物理學(xué)家Ettore Majorana持有兩種對立的觀點(diǎn)。Dirac認(rèn)為中微子不等于反中微子；而Majorana提出：中微子的反粒子就是它自己，也就是說，對于中微子，物質(zhì)和反物質(zhì)一體，這個特性可以解釋組成宇宙的物質(zhì)是如何產(chǎn)生的。
天氣晴朗時，太陽的萬丈光芒照耀大地。此時的可見光最多也最明顯，但同時還有肉眼看不見的輻射，如紫外線（造成中暑和炎熱）、紅外線、X射線（被高層氣流吸收）。
太陽也是中微子的發(fā)射源，來自太陽的核聚變反應(yīng)；但中微子同樣能夠來源于地球本身，我們的周遭環(huán)境，比如核電站、各種物質(zhì)的衰變等。有時，來自遙遠(yuǎn)的超新星、類星體和耀變體強(qiáng)烈的大爆炸也會產(chǎn)生中微子云團(tuán)。
中微子是最輕的粒子，是所有粒子衰變的最終產(chǎn)物，因此宇宙中積存了大量自大爆炸以來產(chǎn)生的中微子。中微子不帶電，電荷中性使它幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，只參與非常微弱的弱相互作用。最新資料表明它有質(zhì)量，但非常微小（尚不能準(zhǔn)確地測量），中微子的質(zhì)量直接影響到宇宙間物質(zhì)的分布。它無處不在卻難以捕捉，號稱“隱身人”，以接近光速的速度遨游于太空。盡管每秒鐘有1萬億個中微子穿越我們的手、身體，但我們很難發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，難以對其展開研究。
無處不在的中微子源：
太陽核聚變：640億/cm2/s
銀河系的超新星核聚變：10秒鐘內(nèi)50億/ cm2/s
宇宙大爆炸：300個中微子殘骸/cm3
核反應(yīng)堆的β衰變：200公里處10萬/cm2/s
人類自身鉀40和炭14原子的β衰變：8000個/s
地球物理和大氣起源時的β衰變：6百萬/cm2/s
1930年，美籍奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利（Wolfgang Pauli）為解釋原子核β衰變時的能量虧損，首次提出了“一種不可探測的中性粒子”的猜想，后由意大利物理學(xué)家恩里克費(fèi)米（Enrico Fermi）正式命名為“中微子”；26年后，美國科學(xué)家萊因斯（F. Reines）和柯萬（C.L.Cowan）領(lǐng)導(dǎo)的小組第一次通過實(shí)驗(yàn)直接觀測到中微子。1987年，日本神岡的小柴昌俊和其他國家的科學(xué)家共捕獲了24個超新星（SN1987A）中微子，標(biāo)志著中微子天文學(xué)誕生。1998年，超級神岡實(shí)驗(yàn)（SuperKamiokande）的萬噸級水切倫科夫探測器（Cherenkov）觀測到太陽中微子和大氣中微子，并首次以確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，即一種中微子能夠轉(zhuǎn)換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質(zhì)量,而非零。日本的水切倫科夫探測器是有史以來建造的最龐大的探測器，由11200個20英寸的光電倍增管和5萬噸高純水構(gòu)成屏蔽層，看上去像一個巨大閃爍的游泳池。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的第一個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說明“標(biāo)準(zhǔn)模型”目前仍不完整，有待修正和延伸。迄今，還有兩個振蕩參數(shù)尚未測到，而這兩個參數(shù)極有可能解釋宇宙中的“反物質(zhì)缺失”之謎?！ ?/P>
 
年輕時的泡利 日本神岡水Cherenkov探測器
每種粒子有不同的方式“看”世界。中微子具有超乎尋常的穿透力，它“看”世界就像一切都是空的，物質(zhì)都是透明的。它輕而易舉地穿越山川、河流，甚至整個地球而不被任何物質(zhì)吸收。科學(xué)家們認(rèn)為它可以穿越100光年厚鉛塊的極限。然而平均100億個中微子中只有一個與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，也就是說每年只有一個中微子與我們身體的一個原子發(fā)生相互作用，真可謂“非常之罕見”。因此，越來越需要建造大型探測器，阻止、捕捉中微子。
探測中微子的另一個必要條件是宇宙線屏蔽。如果在地面站進(jìn)行中微子實(shí)驗(yàn)，探測到的宇宙線將比中微子多200萬倍，信號將完全淹沒于本底輻射。因此地下實(shí)驗(yàn)室是最理想的場所。
LSM的NEMO III致力于尋找新的放射形式：無中微子釋放的雙β衰變，表現(xiàn)為2個電子的自發(fā)放出，總能量約為3.012MeV，只有少數(shù)如鉬100等原子核是其放射源。雙β衰變實(shí)驗(yàn)是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的探索中微子質(zhì)量這一前沿問題的理想途徑，是判斷中微子是否是其本身反粒子的唯一方法。它將證實(shí)中微子是一種非零質(zhì)量的粒子，并推算出質(zhì)量，揭示中微子的性質(zhì)，進(jìn)而了解人類如何由碳、水分子和基于原子的化學(xué)反應(yīng)組成，了解生命的起源，宇宙的組成和演變。
NEMO III探測器由垂直排列的鉬100薄片（共計(jì)7kg）組成，兩側(cè)是蓋革（Geiger）計(jì)數(shù)器和塑料閃爍體，分別用來定位和測量釋放出的電子軌跡和能量。它另配置一個復(fù)雜的電子設(shè)備用于記錄6180個蓋革計(jì)數(shù)器和1940個閃爍體提供的信息。光纖激光設(shè)備保證閃爍體穩(wěn)定性的校準(zhǔn)與控制，事例的獲取和計(jì)數(shù)器運(yùn)行則通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。
暗物質(zhì)探測、雙β衰變等低本底實(shí)驗(yàn)是一種對環(huán)境要求非?？量痰难芯抗ぷ鳎蟓h(huán)境中結(jié)構(gòu)材料、屏蔽材料等的放射性雜質(zhì)含量盡可能低，包括不銹鋼、銅、鉛、電纜、管子、螺絲釘，直到焊接等都需經(jīng)過嚴(yán)格篩選和精確測試。這使得NEMO III挑戰(zhàn)了科技的極限，雖重達(dá)250多噸，但鈾238和釷232的放射性核素的含量比一個人的還要低。
人們很早就發(fā)現(xiàn)了單β衰變，但雙β衰變極為罕見，而尋找無中微子釋放的雙β衰變的幾率至少還要小1萬倍，因?yàn)殡pβ衰變從沒有在自然界中發(fā)現(xiàn)過。假設(shè)1公斤的鉬100，根據(jù)自然規(guī)律，其中一半衰變就需要80億億年。而科學(xué)家認(rèn)為宇宙的年齡僅為150億年。
MEMO III已經(jīng)運(yùn)行了兩年，靈敏度受到氡氣干擾的限制。通過空氣凈化系統(tǒng)（防氡氣工廠），它在最佳條件下積累了許多物理數(shù)據(jù)，2011年1月11日，徹底終止運(yùn)行。后續(xù)SuperNEMO實(shí)驗(yàn)?zāi)壳罢幱谘邪l(fā)階段，未來將以兩個數(shù)量級水平提高中微子質(zhì)量測量的靈敏度。參加中微子合作的國家有法國、俄羅斯、英國、捷克、美國、日本、西班牙。
從NEMO III到SuperNEMO將實(shí)現(xiàn)如下的跨越：
為滿足粒子物理和天體物理基礎(chǔ)研究的需要，為探測地球中微子和宇宙中微子產(chǎn)生的各種非常罕見的物理現(xiàn)象，LSM將研發(fā)下一代地下大型探測器。
自2005年4月Aussois（Modane附近的市鎮(zhèn)）會議以來，科學(xué)家們廣泛研究和討論了Memphys（MEgatonne Mass PHYSics）計(jì)劃，其目的是解析中微子的基本性質(zhì)。中微子束探測器將精確測量中微子振蕩的混合參數(shù)θ13，揭示輕子領(lǐng)域CP破壞的存在，解釋宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對稱性或超級對稱性。
有望建在LSM的Memphys探測器
另外，質(zhì)子是具有強(qiáng)穩(wěn)定性的基本粒子，但許多模型預(yù)言它有有限的生命周期。探測質(zhì)子衰變是證明自然界基本作用力大統(tǒng)一的最直接方法。Memphys實(shí)驗(yàn)基于帶電粒子在水中產(chǎn)生定向的切倫科夫光，然后由探測器表面上萬個光電倍增管對這微弱的光進(jìn)行探測和研究，最終得到中微子的信息。該技術(shù)已經(jīng)成功地在美國和日本的IMB和Super-Kamiokande上應(yīng)用。而LSM和世界上其它地下實(shí)驗(yàn)室正在預(yù)研比美日更大型的探測器：50萬噸，20萬個10英寸的光電倍增管，準(zhǔn)備建在Modane地下實(shí)驗(yàn)室中。其中重要的一點(diǎn)是，該探測器有望與歐洲核子研究中心（CERN）制造的中微子束耦合。
3.TGV：雙β衰變研究
垂直鍺望遠(yuǎn)鏡TGV（Telescope a Germanium Vertical）由LSM與俄羅斯杜布納聯(lián)合原子核研究所（JINR）共同開展，利用32臺直徑60mm的平面鍺探測器進(jìn)行雙β衰變研究。
  
探測器 鉛屏蔽 聚乙烯屏蔽
4.SHIN：尋找自然界中的超重元素
根據(jù)俄羅斯和美國最近在現(xiàn)代理論模型中進(jìn)行的諸多實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)家們猜測：自然界中未知的超重元素的生命周期非常長，現(xiàn)在仍存在于自然界中。
SHIN（Super Heavy elements In Nature）實(shí)驗(yàn)試圖追蹤這些長生命周期的元素（108或114個質(zhì)子）及其自發(fā)裂變后的放射性衰變產(chǎn)物。
SHIN探測器的電子學(xué)部件
五、獨(dú)特的應(yīng)用研究
LSM發(fā)展和完善了用于超低放射性水平樣本測量的探測器和平臺，它擁有世界獨(dú)一無二的14臺尖端的γ能譜超低本底鍺探測器，在環(huán)境監(jiān)測、超純材料遴選、海洋放射性普查、地質(zhì)學(xué)和年代的準(zhǔn)確鑒定，甚至包括對波爾多葡萄酒酒齡的鑒定方面進(jìn)行了獨(dú)特的應(yīng)用研究。
先了解一下什么是放射性：
物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成。
原子核由質(zhì)子（Proton）和中子（Neutron）組成，二者質(zhì)量等同；電子（Electron）的質(zhì)量要比前兩者小2000倍，并以驚人的高速度圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。
原子核示意圖
在一個原子中，質(zhì)子和電子的數(shù)目相同，它們的數(shù)目決定該原子的化學(xué)性質(zhì)。
如果兩個或三個原子擁有同樣多的質(zhì)子（和電子），但中子數(shù)不同，那么它們被稱作同位素。同位素的化學(xué)性質(zhì)相同。譬如：
-- 氫（Hydrogene）：1個質(zhì)子，1個電子
-- 氘（deuténium）：1個質(zhì)子，1個中子，1個電子
-- 氚（Tritium）：1個質(zhì)子，2個中子，1個電子
當(dāng)一個同位素?fù)碛械闹凶訑?shù)比質(zhì)子多，或者相反，原子核就不穩(wěn)定，那么該同位素具有放射性。
當(dāng)原子核作用力足夠大時，質(zhì)子與中子就能夠牢固地粘合在一起，且兩者數(shù)目相等，此時原子核就是穩(wěn)定的，被稱為穩(wěn)定性核素。而當(dāng)原子核擁有太多粒子或太多能量時，核作用力就減弱了，質(zhì)子和中子不能很好地粘合在一起，且兩者數(shù)目不等。此時，原子核就不穩(wěn)定，被稱為放射性核素。
“放射性”指一個不穩(wěn)定的原子核通過輻射釋放出多余的能量而衰變成另一個穩(wěn)定原子核的現(xiàn)象。在該過程中，原子核自發(fā)地釋放出粒子和不同類型的射線：α，β，γ等。每種射線對應(yīng)一種形式的輻射。
α射線：氦核粒子流，指不穩(wěn)定的原子核在衰變時放出1個氦核（2個質(zhì)子和2個中子），或者叫α粒子。該射線穿透性很不強(qiáng)，幾厘米的空氣，或者一張紙就可以阻止它。
β射線：高速電子流，指原子核中的一個中子通過弱相互作用衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子，一個電子和一個反中微子。電子和反中微子跑出原子核，而質(zhì)子留在核中。一塊玻璃或者幾毫米薄的鋁片便可以阻止β粒子或電子。
γ射線：高能量的電磁波（無粒子產(chǎn)生），性質(zhì)同可見光和X射線，但能量更高，更具穿透性。需要幾厘米厚的水泥墻或鉛板才能阻止它。
自發(fā)裂變產(chǎn)生中子射線：中子的能量決定其穿透性。非常厚的水層、水泥墻和石蠟板才能阻止它。
γ射線產(chǎn)生示意圖
幾乎所有的物質(zhì)都具有放射性。放射性是一秒鐘發(fā)生的原子衰變數(shù)，國際單位用貝克(Bq)表示。強(qiáng)烈的放射性可達(dá)數(shù)十億Bq以上，低放射性則在幾千Bq。譬如： 1升雨水：0.3—1 Bq
1升海水：10—15Bq
1升奶：80 Bq
1公斤魚：100 Bq
1公斤土豆：150 Bq
1公斤沉積土：400 Bq
1公斤咖啡：1000 Bq
1公斤花崗巖：1000 Bq
1公斤煤灰：2000 Bq
1公斤化肥（磷酸鹽）：5000 Bq
體重70kg的成人：7000 Bq
火災(zāi)探測器：30 000 Bq
1公斤鈾礦：2500萬 Bq
醫(yī)療診斷同位素放射：7000萬 Bq
1公斤鐳: 370億 Bq
1公斤高放射性核廢料（放置50年）：10萬億 Bq
醫(yī)療放射源：100萬億 Bq
實(shí)際上，地球上存在許多天然放射性核素，衰變時產(chǎn)生輻射，其能量以熱能形式消散。如果沒有這些熱能，地球早就成為一個冰冷的星球，也不會有生命的跡象。
天然放射性核素屬于宇宙中穩(wěn)定粒子的一部分。包括：
* 質(zhì)子及其多種表現(xiàn)形式，不同能量的電磁輻射。
* 中微子：宇宙中最神秘最難以捕捉的粒子。
核放射的特征是γ射線釋放出能量。法國Modane地下實(shí)驗(yàn)室的鍺探測器能夠高精度測量γ射線的能量。譜儀上不同的峰值可以解析存在于樣品中的放射性核素及其含量。
另外，放射性核素的生命周期根據(jù)每種放射性核素的不同而長短各異，譬如：釙214的放射周期為幾分之一秒，而鈾238的放射周期為45億年；并且一般在一個周期結(jié)束時，相當(dāng)多的放射性核素自發(fā)地失去一半的放射性。
以下是LSM的幾個重要應(yīng)用實(shí)例：
1.放射性核素含量的鑒別有助于了解某地區(qū)的歷史，就像時間標(biāo)志器
法國Modane地下實(shí)驗(yàn)室、氣候與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LSCE，Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement，CNRS-CEA）和薩瓦大學(xué)（Université de Savoie）的兩個研究小組共同對阿爾卑斯山湖區(qū)的沉積物進(jìn)行了考察。目前，LSM又與尚貝里大學(xué)（Université de Chambéry）聯(lián)合開展了阿訥西（Annecy）湖區(qū)（勃朗峰所在地區(qū)）的研究。對一根30公分長胡蘿卜中放射性核素的鑒別，可以推斷出該地區(qū)150年來的歷史，包括地震情況、氣候變化、環(huán)境污染與人類的農(nóng)作活動。類似的研究結(jié)果，也將使不少考古學(xué)者從中受益。
2.特級葡萄酒的年代鑒定
特級葡萄酒中銫-137（137Cs）的含量根據(jù)年代不同而有異，所以通過其含量可以鑒定葡萄酒的年代。因?yàn)殇C-137人工同位素并不存在于自然界中，而是60年代核試驗(yàn)和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站（Tchernobyl）泄漏后的人工放射性同位素。不含銫137的酒，出產(chǎn)年代應(yīng)早于1960年。另外，依照銫-137的含量多少，可以更精確地鑒定葡萄酒的酒齡。當(dāng)然，做這樣的鑒定是不需要打開酒瓶的。波爾多第一大學(xué)和LSM共同開展了該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。
3.環(huán)境放射性污染物的監(jiān)測
LSM和輻射防護(hù)與核安全研究所（IRSN，Institut de Radioprotection et de S?reté Nucléaire, IRSN)通過采集沉積物樣品、河湖水源等進(jìn)行環(huán)境中放射性污染物的檢測，特別是對工業(yè)活動和意外事故可能產(chǎn)生的放射性污染進(jìn)行跟蹤。法國原子核實(shí)驗(yàn)后，太平洋的環(huán)礁始終處于系統(tǒng)的監(jiān)測下。
4.大氣放射性污染物的監(jiān)測
大氣是污染的重要載體。核試驗(yàn)的終止和核廢料的減少使環(huán)境中人工放射性核素逐漸降低。LSM能夠測量大氣中放射性水平很低的污染物。IRSN在法國六大城市建立了大氣采樣站，全方位地監(jiān)測全國大氣污染的狀況。
六、LSM的基礎(chǔ)設(shè)施
LSM為開展重大基礎(chǔ)性前沿課題提供了重要的研究場所和優(yōu)良的低本底環(huán)境，是一個承載多學(xué)科科學(xué)研究的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺。它負(fù)責(zé)：
* 安置實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提供必要的設(shè)備安置空間；
* 提供水、電、計(jì)算機(jī)連接和使用，保障空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)正常工作；
* 確保人員出入和工作安全；
* 確保設(shè)備出入、操作和工程設(shè)施的安全；
* 提供援助、維修服務(wù)等。 
因?qū)嶒?yàn)室坐落在密閉的地下空間，設(shè)備和人員的出入因而受限，配置安全預(yù)警措施；并擁有一支專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍保障實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的正常運(yùn)行，隨時提供全方位的服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度和壓強(qiáng)等處于連續(xù)監(jiān)控中，保證其長期穩(wěn)定。
事實(shí)上，Modane地下實(shí)驗(yàn)室雖遠(yuǎn)離塵囂，但3500m3的空間并不十分安靜，粒子探測器的冷卻系統(tǒng)有時發(fā)出震耳欲聾的噪音，潔凈空氣供應(yīng)系統(tǒng)（包括除濕、除塵、恒溫、除氡等功能）的鼓風(fēng)機(jī)整日整夜地工作，每小時兩次更換和清潔實(shí)驗(yàn)室空氣，氡含量低于20 Bq/m3。
地下實(shí)驗(yàn)室放射性氡氣是低本底信號來源之一，主要是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中巖石的一連串放射性衰變過程中產(chǎn)生的氣體。由于氡會以氣體形態(tài)逐步從巖石滲透到空氣中，又逐步擴(kuò)散到探測器系統(tǒng)附近，最終吸附到探測器的結(jié)構(gòu)材料上，且其衰變產(chǎn)生γ射線，可能成為高純鍺探測器的本底來源。因此，在地下實(shí)驗(yàn)室中，防氡和排氡措施非常必要。在實(shí)驗(yàn)室1m3的空氣中，每秒平均有10個氡發(fā)生衰變。Modane地下實(shí)驗(yàn)室中裝有潔凈空氣供應(yīng)系統(tǒng)，可減少1000倍的氡含量，約為15Bq/m3。包裹著NEMO的屏蔽“帳篷”里的氡含量比實(shí)驗(yàn)室的還少100倍，約為0.15Bq/m3。
LSM的防氡設(shè)備
七、升級擴(kuò)建工程：ULISSE計(jì)劃
目前，空間容積僅為3500m3的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)不能滿足21世紀(jì)粒子物理和天體粒子物理等其它多學(xué)科實(shí)驗(yàn)的開展。
幸運(yùn)地是：幾乎在同時，這項(xiàng)科學(xué)需求與另一項(xiàng)社會需要又不謀而言。法國和意大利兩國政府決定在Fréjus公路隧道附近，平行地建一條安全疏散通道。挖掘工程已于2009年秋天開工。Modane地下實(shí)驗(yàn)室抓住這唯一的機(jī)遇，為暗物質(zhì)研究和中微子物理實(shí)驗(yàn)，以及地質(zhì)、生物、工程科學(xué)研究開鑿新的工作區(qū)域，擴(kuò)建新實(shí)驗(yàn)室（下圖藍(lán)色區(qū)域），有效使用空間容積將達(dá)到6萬m3，幾乎相當(dāng)于現(xiàn)在的20倍。這項(xiàng)大工程已于2008年12月作為先導(dǎo)項(xiàng)目，正式立項(xiàng)于法國國家重大科研設(shè)施線路圖中（TGIR，Tres Grandes Infrastructures de Recherche）。實(shí)驗(yàn)室總體工程預(yù)計(jì)2013-2014年完成，并投入使用。
 
Ulisse計(jì)劃的土建預(yù)算為1千2百萬歐元（4萬m3），1千7百萬歐元（2*3萬m3），通風(fēng)、冷卻、電力等設(shè)備的經(jīng)費(fèi)為3百萬歐元。
新實(shí)驗(yàn)室將匯集更多學(xué)科和領(lǐng)域的研究人員、粒子天體物理學(xué)家、地理物理學(xué)家和地理生物學(xué)家，200-300人，開展SuperNEMO、EURECA等實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行中微子的性質(zhì)及質(zhì)量的確定和暗物質(zhì)的研究。其中EURECA項(xiàng)目將替代現(xiàn)在的Edelweiss II實(shí)驗(yàn)，是一多國合作項(xiàng)目，包括英國、德國、法國、西班牙、烏克蘭以及相關(guān)的國際組織CERN、JINR等，基礎(chǔ)設(shè)施將以兩個低溫恒溫器為核心。目前正處于研發(fā)階段，預(yù)計(jì)2013年開始建設(shè)。
新實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建無疑將極大地促進(jìn)羅納 — 阿爾卑斯大區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。屆時，可乘高速列車和高速公路抵達(dá)，在安全疏散通道處獨(dú)立的安全入口處進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室。LSM每年的運(yùn)行經(jīng)費(fèi)預(yù)算為每年80萬歐元，使用年限至少40年。
 
SuperNEMO和EURECA示意圖
另外，自2009年6月，在Modane的白土地（Terres Blanches）地區(qū)，LSM建造和開放了一座科學(xué)方屋，它是集會議、辦公、科學(xué)中心、技術(shù)車間、車庫、客房為一體的地面建筑。
科學(xué)方屋中設(shè)有科普展覽大廳，面積120平米，長期開放，主題為“宇宙的小秘密”，以互動和游戲的方式探索微觀世界，講述宇宙的起源、組成和演變，了解物質(zhì)的放射性，以及科學(xué)家們在Modane地下實(shí)驗(yàn)室開展的實(shí)驗(yàn)和未來的研究方向。主要內(nèi)容包括：
* 宇宙射線音樂欣賞
* 錄像：為什么要建地下實(shí)驗(yàn)室？實(shí)驗(yàn)室的科研活動和未來方向。
* 歷史上著名的實(shí)驗(yàn)介紹
* 探測器探測什么？
* 應(yīng)用（年代測定，環(huán)境監(jiān)測┅┅）
* 親自在“云霧室”目睹宇宙射線的蹤跡。
* 天然放射性小火車
* EDELWEISS：尋找暗物質(zhì)
* NEMO：中微子實(shí)驗(yàn)
* 多媒體，實(shí)驗(yàn)室模擬參觀
 
LSM的科普展覽
高能物理研究所科研處
資料來自http://www-lsm.in2p3.fr/ |
