作者：程建平，柳卫平，岳骞，李会红，董国轩，刘江来，何建军，郭冰，杨丽桃
作者单位：北京师范大学核科学与技术学院；清华大学工程物理系；中国原子能科学研究院核物理研究所；国家自然科学基金委员会数理科学部；上海交通大学物理与天文学学院
基于中国锦屏地下实验室建设的国家“十三五”重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”因其世界岩石覆盖最深、可用空间最大、综合条件一流的独特条件为国内外科学家瞩目。在我国积极推动基础研究领域创新发展的大背景下，研讨基于深地实验平台的前沿物理研究具有重要意义。
本文基于国家自然科学基金委员会第268期双清论坛总结了深地前沿物理科学研究所面临的重大机遇和重大挑战，回顾了我国深地前沿学科近年来所取得的主要进展和成就，凝练了未来5～10年该领域涉及的重大关键科学问题与技术瓶颈，探讨了相关前沿研究方向和科学基金资助战略。
亮点论述：
未来5～10 年深地前沿物理发展目标及资助重点
3.1 发展目标
理解宇宙中物质的起源和演化问题是当代物理学中最重要的问题之一。当前描述微观物质世界基本组元及其相互作用的粒子物理标准模型取得了极大的成功，但我们在理解宇宙中微子属性、暗物质属性、元素起源等方面仍然面临巨大挑战。研究这些问题的重要手段之一就是深地极低宇宙线本底环境下的稀有事例探测，包括中微子性质相关研究、暗物质直接探测、核天体物理实验等。
我国正在开展的基于中国锦屏地下实验室二期建设的“十三五”国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目，将为我国和世界科学家提供一个世界最深岩石覆盖、最大可用空间、最低宇宙线本底环境的“得天独厚”的深地实验平台。过去十年，在中国锦屏地下实验室一期试验平台的支持下，我国科学家在暗物质直接探测实验方面已经实现了从“无”到“有”，并取得了当前国际“并跑”的局面。在中微子研究与核天体物理研究方面，取得了很好的技术进展和物理成果。经过多年的实验和实践，我国已经培养出一支长期从事深地前沿实验研究、具有国际竞争力的优秀的国内研究队伍。
基于我国的深地实验平台优势、良好的探测技术基础和优秀的研究队伍，支持中国科学家开展前瞻性的深地前沿研究，通过无中微子双贝塔衰变、暗 物质直接探测实验和核天体物理实验等，研究轻子数破缺过程、确定中微子质量次序、探索宇宙正反物 质不对称机制、暗物质属性、核素起源和演化性等， 聚焦领域重大前沿科学问题，取得突破性的进展。同时，凝聚国际一流人才，培养国际水平的前沿研究 队伍，将锦屏地下实验室建设成为深地方向国际高地，推动我国粒子物理与核物理相关学科未来引领世界。
3.2 资助重点
本次双清论坛与会专家经过深入研讨，凝练了我国深地前沿物理重大关键科学问题，并建议未来5～10年应着重围绕以下5 个领域，通过多学科交叉开展重大原创性研究。
3.2.1 暗物质直接探测
对于“弱相互作用重粒子”暗物质，国际上中长期规划对直接探测暗物质至所谓的“中微子地板”有很强的共识。在锦屏实验室布局一至两个旗舰性的、有国际参与度的引领性的实验，具有重要的科学意义。对于各类其它暗物质候选者、地下实验通用关键技术(比如极低本底技术)以及具有战略前瞻性的技术，应在国内布局长期、稳定的研发工作，使得我国未来在这些方面取得国际引领性的地位。另外，理论和实验应当更加紧密的结合，寻求物理新思想、新方法上的突破。
3.2.2 无中微子双贝塔衰变
在基金委支持下，通过自主技术研发和国际合作的方式，尽快开展基于锦屏地下实验室的无中微子双贝塔衰变实验关键技术预研，包括高纯锗阵列方案、液氙探测技术、低温晶体量能器技术、高气压时间投影室技术以及大体积液闪探测技术等，以及相关核理论研究，如无中微子双贝塔衰变的发生机制，原子核矩阵元的高精度计算等[57.58]。通过两三年的预研，择优选取两种具备很强国际竞争力的中微子双贝塔衰变实验技术，其中微子质量探测能力具备达到10meV 甚至1meV 水平的灵敏度。随后联合国内外无中微子双贝塔衰变实验研究领域的科学家，利用锦屏地下实验室国际一流极低本底实验平台的优势，建立大规模的理论和实验紧密结合的研究团队，在基金委的支持下，开展具备国际引领能力的无中微子双贝塔衰变实验研究。
3.2.3 太阳中微子和地球中微子
太阳中微子实验是重要的“粒子—核—天体物理”实验场，在中微子振荡物理、太阳物理方面仍有 很多重要的未解之谜。地球中微子是一个新的交叉研究领域。锦屏中微子实验采用新的实验技术，期待可以利用小型百吨掺 LiCl探测器，基于锦屏地下实验室的独特深地优势和地理优势，在中微子振荡现象和喜马拉雅山地球中微子研究方向有重要发现，并且可以探索惰性中微子和非标准模型新物理， 取得世界领先。
3.2.4 核天体物理
锦屏核天体物理JUNA 项目I期的400kV 强流加速器装置只能加速氢和氦束流，因此，未来5～ 10年内我国深地核天体物理实验的重点方向是对恒星氢燃烧和氦燃烧中的一系列关键核反应进行深 地直接测量，解决一系列重要的科学问题，例如：太 阳中微子和金属丰度问题、AGB 星氟超丰问题、伽马射线天文学26Al来源之谜、宇宙大爆炸原初核合成问题、宇宙超铁重元素起 源问题、“圣 杯”反 应、
AGB 星慢中子俘获s过程中子源问题以及其它重要氦燃烧反应，等等。JUNA 项目Ⅱ 期将计划安装一个4MV 强流重粒子加速器。物理目标将主要聚焦恒星氦燃烧、碳燃烧以及氧燃烧过程中的关键核反应。在未来的20年内，JUNA 项目计划完成天体关键核反应的深地直接测量，并最终建立我国核天体物理反应率的基准数据库。
3.2.5 极低本底技术
基于国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目，建设极低本底微贝克每公斤量级分析平台，开展痕量长寿命放射性核素质谱分析方法研究，探索不同介质中氡的析出与输运规律，掌握关键材料地下制备工艺参数，是未来极低本底技术研究的重点。同时，未来作为深地实验平台在开展深地辐射生物学等多个学科研究的过程中，实验室可以提供辐射源的粒子种类和能谱等方面的高精度测量工作，为多学科开展前沿研究提供技术基础。
