一、位于法國與意大利隧道中央的Modane地下實驗室
法國Modane地下實驗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地下實驗室面積400m2，空間容積約3500m3。
 
LSM位置示意圖
LSM創(chuàng)建于20世紀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）與宇宙學研究所（IRFU，Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers）的一個聯(lián)合實驗室，二者又分別隸屬于法國國家科學研究中心（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地下實驗室入口
LSM1982年正式開放，最初用于屏蔽大氣中的宇宙射線，探測質子潛在的不穩(wěn)定性，開展天體物理的基礎研究，揭示宇宙的奧秘（起源、組成和演變）。1988年后，通過國際合作，研究擴展至暗物質、中微子、雙β衰變和超重化學元素，涉及核物理、粒子物理、宇宙學、地球科學、光譜學、微電子學等諸多學科領域，主要開展了四大實驗：EDELWEISS、NEMO、TGV和SHIN。同時，它擁有14臺高質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、年代準確鑒定和半導體存儲器靜態(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?！ ?/P>
γ譜儀大廳
LSM雖鮮為人知，卻是個超乎尋常的實驗室，也是法國唯一的一個地下實驗室，深度為歐洲之最，在世界上僅次于加拿大的SNOLab（深度2千米）。日前它正積極進行升級擴建工程，為未來大型實驗開辟新的場所。除10多名永久雇員外，它匯集了全球100多名來自天體學、海洋學、葡萄酒學、電子學、考古學、醫(yī)學、物理學等不同領域的研究人員、工程師和技術人員。他們在遠離塵囂、設備齊全的科學天地中開展實驗。
LSM實驗室示意圖
世界地下實驗室分布圖
LSM是歐洲地下實驗室組織（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、天體物理和宇宙學交叉學科學研究促進計劃項目（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（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)的其它實驗室也有著很好的交流和合作。
二、歷史回顧
1979年，一項社會需求和一項科學需求不謀而合，計劃啟動：
* 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。
* 法德物理學家為檢驗粒子物理理論，提出進行質子潛在不穩(wěn)定性實驗，名為SU5，旨在用實驗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），從而進一步推動人類對宇宙的認識。實驗必須屏蔽宇宙射線，在地下實驗室完成。
1980年：項目初研，工程動工。
1982年：挖掘工程完工，LSM實驗室開放。
1983-1988年：SU5實驗前后大約進行了6年，最終并未在質子靈敏度的極限測到其不穩(wěn)定性。實驗表明質子壽命比預計要長，因此SU5理論被排除。但該實驗為界定“大統(tǒng)一”模型積累了富有價值的資料。
在質子研究接近尾聲之際，物理學家們很快意識到了地下實驗室具備的獨特優(yōu)勢：宇宙線幾乎完全被屏蔽，流量超低，那么可以開發(fā)新的多學科“地下活動”，研究非常罕見的物理現(xiàn)象（暗物質、雙β衰變）以及環(huán)境科學（海洋學、年代鑒定、低放射性水平測量）。
1991年：開始進行NEMO II閃爍體的研發(fā)。
1998年：暗物質研究裝置EDELWEISS I安裝，并準備安裝雙β裝置NEMO III。
2000年：建設NEMO III。
2002年：啟動NEMO III，又稱NEMO Day。
2003年：為保障安全，在實驗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行使法國在尋找WIMPs粒子、直接探測暗物質方面躋身世界前列。
2011年1月11日，NEMO III終止運行。
2009至2013年：LSM將利用地下公路隧道擴建的好時機擴建自己的實驗室，預計實驗室的使用空間達到6萬m3。 
三、揭示宇宙奧秘的理想實驗場所
高能初級宇宙線由以下物質組成：
* 質子（占85%--90%）
* 氦核（占9%--14%）
* 較重原子核
* 微量反物質和正電子
* 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的星系，譬如：超新星和脈沖星。
最近，阿根廷Auger實驗室的一項研究表明: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撼的運動。
早在1930年，科學家們就發(fā)現(xiàn)了宇宙線，并指出：質子、電子等基本粒子也可以“自由”地漫游到物質之外。不久，人們在尋找和研究罕見物理現(xiàn)象的同時，發(fā)現(xiàn)這些宇宙線嚴重干擾了科學實驗，譬如：測量質子穩(wěn)定性、研究雙β衰變，探測暗物質等。這些實驗不可能在地球表面進行，必須在地下實驗室完成。因為覆蓋地下實驗室的巖層有效地屏蔽了地面上來自太陽和太空的宇宙線，包括質子、中子、電子、κ介子、π介子、μ子等干擾實驗的粒子，使實驗精確度大大提升，使研究非常罕見的物理現(xiàn)象成為可能。此外，它為在地表無法實現(xiàn)、需要超低本底的實驗提供了理想場所。
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；而覆蓋地下實驗室1700米厚的巖層（等效于4800米的水當量）構成了有效屏蔽，將宇宙線流量減少了2百萬倍，僅剩4個/m2/日。所以LSM的科學家們幾乎在無任何干擾的情況下開展實驗。
20世紀40年代，科學家在高山之巔研究宇宙線時發(fā)現(xiàn)：除電子、質子和中子外還存在其它粒子。為研究這些“新”粒子的性質，各國都建造了粒子加速器。如今，隨著科學的進步，粒子加速器的規(guī)模越來越大，能量越來越高?？茖W家因此發(fā)現(xiàn)了許多影響物質和物質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”之間的深刻關系，換言之：建立了粒子物理和天體物理之間的關系，即通過觀察不可見卻真實存在的粒子無限小現(xiàn)象來揭示大宇宙的奧秘。
四、LSM的四大物理實驗
1.EDELWEISS：探測WIMPs粒子，尋找暗物質
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。借助望遠鏡，天文學家可以觀察到肉眼看不到的星星和其它太空物質?，F(xiàn)在，借助更復雜精密的儀器，甚至能夠將宇宙的“可見”物質列出完整的清單。但遺憾的是：70年來，天體物理學的諸多研究資料（宇宙射線各向異性的測量，對遙遠超新星的光研究，星系群物質分布的研究）表明：人類迄今僅認知4%的宇宙，而對剩余的，約23%的暗物質和73%的暗能量，幾乎還一無所知。它們的數(shù)量和質量如此龐大，幾乎主宰了物質的運動和演化過程，強烈地影響了宇宙的大規(guī)模運動。對未曾揭開謎底的、不可見的、隱藏在“黑暗”和“混沌”中的暗物質的研究是現(xiàn)代宇宙學和天體粒子物理學的重大基礎前沿課題。LSM的Edelweiss實驗期望將人類對宇宙的認知率提高到30%?！ ?/P>
地球以30km/s的速度圍繞太陽旋轉，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?？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，科學家們注意到了這些星體不可思議的高旋轉速度。他們將可見星的總質量作為星系的總質量，便計算出每一顆星的旋轉速度。但實際上，這些星的旋轉速度要比理論計算的快得多！
因此，科學家們推斷：有“暗物質”潛伏著！
什么是“暗物質”？星系中心存在不發(fā)射任何光和電磁輻射的物質，稱為“暗物質”。
科學家們猜想暗物質是很小的星星，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，可能構成暗物質群。
延伸粒子物理標準模型是歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）的實驗目的。它預言了一種與物質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，但其中只有很小的一部分與我們周圍的物質發(fā)生作用。地下實驗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實驗專門進行暗物質研究，試圖尋找和直接探測科學家們假設的暗物質候選者：WIMPs粒子。
工業(yè)用的鍺探測器不能適用于地下實驗室超低本底環(huán)境的暗物質研究，因此，LSM在歐洲粒子物理、天體物理和宇宙學交叉學科學研究促進計劃項目（ILIAS）的框架下，設計和制造了自己的探測器。
Edelweiss實驗組從20世紀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，實驗組與德國、俄羅斯和英國的科學家們合作，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直接探測的領先行列。
 
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。預計未來，LSM用于探測WIMPs粒子的探測器數(shù)量還將三倍增長，達到50臺，最終甚至達到100臺。
ID鍺探測器，亦被稱作熱輻射測量儀，運行在接近零下273.15oC的低溫。它可測量達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還通過改進蒸發(fā)系統(tǒng)技術研發(fā)了更新型的探測器，實現(xiàn)基準質量從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地下實驗室有效地屏蔽了時刻照射人類的宇宙射線。同時，科學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)過嚴格篩選、精確測試，為最低放射性水平。高標準的選材也極大地提高了探測器的靈敏度和純度。
然而，地下實驗室中的巖石、建筑材料，甚至物理學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)代化的鉛都殘留著低水平的放射性。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，導致鉛裸露，共270塊，重22噸?；厥蘸蟮你U進行重新純化和熔化，制成鉛塊，用于保護高靈敏度的探測器，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 )實驗，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。
粒子物理的標準模型認為：中微子是零質量的基本粒子。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）中微子的質量？ 如果有，為何如此之??？絕對質量值是多少？
（2）中微子的性質？ 英國保守派科學家Paul Dirac和意大利年輕的理想主義物理學家Ettore Majorana持有兩種對立的觀點。Dirac認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，物質和反物質一體，這個特性可以解釋組成宇宙的物質是如何產(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；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、各種物質的衰變等。有時，來自遙遠的超新星、類星體和耀變體強烈的大爆炸也會產(chǎn)生中微子云團。
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發(fā)生反應，只參與非常微弱的弱相互作用。最新資料表明它有質量，但非常微?。ㄉ胁荒軠蚀_地測量），中微子的質量直接影響到宇宙間物質的分布。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，美籍奧地利物理學家沃爾夫岡 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，后由意大利物理學家恩里克費米（Enrico Fermi）正式命名為“中微子”；26年后，美國科學家萊因斯（F. Reines）和柯萬（C.L.Cowan）領導的小組第一次通過實驗直接觀測到中微子。1987年，日本神岡的小柴昌俊和其他國家的科學家共捕獲了24個超新星（SN1987A）中微子，標志著中微子天文學誕生。1998年，超級神岡實驗（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換為另一種中微子。這間接證明了中微子具有微小的質量,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)被認為是超出粒子物理標準模型的第一個實驗現(xiàn)象，說明“標準模型”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“反物質缺失”之謎。
 
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吸收。科學家們認為它可以穿越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發(fā)生反應，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。如果在地面站進行中微子實驗，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。因此地下實驗室是最理想的場所。
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衰變實驗是學術界公認的探索中微子質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。它將證實中微子是一種非零質量的粒子，并推算出質量，揭示中微子的性質，進而了解人類如何由碳、水分子和基于原子的化學反應組成，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7kg）組成，兩側是蓋革（Geiger）計數(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。它另配置一個復雜的電子設備用于記錄6180個蓋革計數(shù)器和1940個閃爍體提供的信息。光纖激光設備保證閃爍體穩(wěn)定性的校準與控制，事例的獲取和計數(shù)器運行則通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制。
暗物質探測、雙β衰變等低本底實驗是一種對環(huán)境要求非常苛刻的研究工作，要求環(huán)境中結構材料、屏蔽材料等的放射性雜質含量盡可能低，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，因為雙β衰變從沒有在自然界中發(fā)現(xiàn)過。假設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。而科學家認為宇宙的年齡僅為150億年。
MEMO III已經(jīng)運行了兩年，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，徹底終止運行。后續(xù)SuperNEMO實驗目前正處于研發(fā)階段，未來將以兩個數(shù)量級水平提高中微子質量測量的靈敏度。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將實現(xiàn)如下的跨越：
為滿足粒子物理和天體物理基礎研究的需要，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，科學家們廣泛研究和討論了Memphys（MEgatonne Mass PHYSics）計劃，其目的是解析中微子的基本性質。中微子束探測器將精確測量中微子振蕩的混合參數(shù)θ13，揭示輕子領域CP破壞的存在，解釋宇宙中物質和反物質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，質子是具有強穩(wěn)定性的基本粒子，但許多模型預言它有有限的生命周期。探測質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實驗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行探測和研究，最終得到中微子的信息。該技術已經(jīng)成功地在美國和日本的IMB和Super-Kamiokande上應用。而LSM和世界上其它地下實驗室正在預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，準備建在Modane地下實驗室中。其中重要的一點是，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)代理論模型中進行的諸多實驗結果，科學家們猜測：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）實驗試圖追蹤這些長生命周期的元素（108或114個質子）及其自發(fā)裂變后的放射性衰變產(chǎn)物。
SHIN探測器的電子學部件
五、獨特的應用研究
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、地質學和年代的準確鑒定，甚至包括對波爾多葡萄酒酒齡的鑒定方面進行了獨特的應用研究。
先了解一下什么是放射性：
物質由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成。
原子核由質子（Proton）和中子（Neutron）組成，二者質量等同；電子（Electron）的質量要比前兩者小2000倍，并以驚人的高速度圍繞原子核運轉。
原子核示意圖
在一個原子中，質子和電子的數(shù)目相同，它們的數(shù)目決定該原子的化學性質。
如果兩個或三個原子擁有同樣多的質子（和電子），但中子數(shù)不同，那么它們被稱作同位素。同位素的化學性質相同。譬如：
-- 氫（Hydrogene）：1個質子，1個電子
-- 氘（deuténium）：1個質子，1個中子，1個電子
-- 氚（Tritium）：1個質子，2個中子，1個電子
當一個同位素擁有的中子數(shù)比質子多，或者相反，原子核就不穩(wěn)定，那么該同位素具有放射性。
當原子核作用力足夠大時，質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。而當原子核擁有太多粒子或太多能量時，核作用力就減弱了，質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個質子和2個中子），或者叫α粒子。該射線穿透性很不強，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。強烈的放射性可達數(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地下實驗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束時，相當多的放射性核素自發(fā)地失去一半的放射性。
以下是LSM的幾個重要應用實例：
1.放射性核素含量的鑒別有助于了解某地區(qū)的歷史，就像時間標志器
法國Modane地下實驗室、氣候與環(huán)境科學實驗室（LSCE，Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement，CNRS-CEA）和薩瓦大學（Université de Savoie）的兩個研究小組共同對阿爾卑斯山湖區(qū)的沉積物進行了考察。目前，LSM又與尚貝里大學（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。類似的研究結果，也將使不少考古學者從中受益。
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。因為銫-137人工同位素并不存在于自然界中，而是60年代核試驗和前蘇聯(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。當然，做這樣的鑒定是不需要打開酒瓶的。波爾多第一大學和LSM共同開展了該項實驗。
3.環(huán)境放射性污染物的監(jiān)測
LSM和輻射防護與核安全研究所（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)生的放射性污染進行跟蹤。法國原子核實驗后，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的基礎設施
LSM為開展重大基礎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，是一個承載多學科科學研究的綜合性實驗平臺。它負責：
* 安置實驗設備，提供必要的設備安置空間；
* 提供水、電、計算機連接和使用，保障空調(diào)、通風系統(tǒng)正常工作；
* 確保人員出入和工作安全；
* 確保設備出入、操作和工程設施的安全；
* 提供援助、維修服務等。 
因實驗室坐落在密閉的地下空間，設備和人員的出入因而受限，配置安全預警措施；并擁有一支專業(yè)技術隊伍保障實驗室設備的正常運行，隨時提供全方位的服務。實驗室的溫度、濕度和壓強等處于連續(xù)監(jiān)控中，保證其長期穩(wěn)定。
事實上，Modane地下實驗室雖遠離塵囂，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，潔凈空氣供應系統(tǒng)（包括除濕、除塵、恒溫、除氡等功能）的鼓風機整日整夜地工作，每小時兩次更換和清潔實驗室空氣，氡含量低于20 Bq/m3。
地下實驗室放射性氡氣是低本底信號來源之一，主要是實驗室環(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，又逐步擴散到探測器系統(tǒng)附近，最終吸附到探測器的結構材料上，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，在地下實驗室中，防氡和排氡措施非常必要。在實驗室1m3的空氣中，每秒平均有10個氡發(fā)生衰變。Modane地下實驗室中裝有潔凈空氣供應系統(tǒng)，可減少1000倍的氡含量，約為15Bq/m3。包裹著NEMO的屏蔽“帳篷”里的氡含量比實驗室的還少100倍，約為0.15Bq/m3。
LSM的防氡設備
七、升級擴建工程：ULISSE計劃
目前，空間容積僅為3500m3的實驗室已經(jīng)不能滿足21世紀粒子物理和天體粒子物理等其它多學科實驗的開展。
幸運地是：幾乎在同時，這項科學需求與另一項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地下實驗室抓住這唯一的機遇，為暗物質研究和中微子物理實驗，以及地質、生物、工程科學研究開鑿新的工作區(qū)域，擴建新實驗室（下圖藍色區(qū)域），有效使用空間容積將達到6萬m3，幾乎相當于現(xiàn)在的20倍。這項大工程已于2008年12月作為先導項目，正式立項于法國國家重大科研設施線路圖中（TGIR，Tres Grandes Infrastructures de Recherche）。實驗室總體工程預計2013-2014年完成，并投入使用。
 
Ulisse計劃的土建預算為1千2百萬歐元（4萬m3），1千7百萬歐元（2*3萬m3），通風、冷卻、電力等設備的經(jīng)費為3百萬歐元。
新實驗室將匯集更多學科和領域的研究人員、粒子天體物理學家、地理物理學家和地理生物學家，200-300人，開展SuperNEMO、EURECA等實驗，分別進行中微子的性質及質量的確定和暗物質的研究。其中EURECA項目將替代現(xiàn)在的Edelweiss II實驗，是一多國合作項目，包括英國、德國、法國、西班牙、烏克蘭以及相關的國際組織CERN、JINR等，基礎設施將以兩個低溫恒溫器為核心。目前正處于研發(fā)階段，預計2013年開始建設。
新實驗室的擴建無疑將極大地促進羅納 — 阿爾卑斯大區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。屆時，可乘高速列車和高速公路抵達，在安全疏散通道處獨立的安全入口處進入地下實驗室。LSM每年的運行經(jīng)費預算為每年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方屋，它是集會議、辦公、科學中心、技術車間、車庫、客房為一體的地面建筑。
科學方屋中設有科普展覽大廳，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，了解物質的放射性，以及科學家們在Modane地下實驗室開展的實驗和未來的研究方向。主要內(nèi)容包括：
* 宇宙射線音樂欣賞
* 錄像：為什么要建地下實驗室？實驗室的科研活動和未來方向。
* 歷史上著名的實驗介紹
* 探測器探測什么？
* 應用（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
* NEMO：中微子實驗
* 多媒體，實驗室模擬參觀
 
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/ |
