錦屏地下實驗室大門受訪者供圖

掃一掃 直抵世界最深地下實驗室

　　實驗室一期就建在錦屏山隧道中部。空間並不大，隻有4000立方米，但填補了我國沒有深地實驗室的空白。經測定，錦屏地下實驗室內(nei) 的宇宙射線通量可以降到地麵水平的千萬(wan) 分之一到億(yi) 分之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室，也是全球岩石覆蓋厚度最深的地下實驗室。

　　就是這裏了。

　　中國四川，涼山彝族自治州，西昌市，錦屏水電廠，錦屏山交通隧道中部。

　　垂直岩石覆蓋厚度達2400米的中國錦屏地下實驗室內(nei) ，科研人員在努力聆聽暗物質粒子的絮語。

　　科研人員早已發現，如果僅(jin) 存在人們(men) 已知的物質，宇宙根本不應該是現在這副模樣，一定有別的東(dong) 西在起作用。

　　從(cong) 理論上來說，暗物質並不罕見。據估算，暗物質大約占據宇宙物質質量的85%。但是，它看不見、摸不著，幾乎不和任何物體(ti) 發生作用，是存在於(yu) 模型中的理論推演。

　　“誰能率先找到暗物質，誰就能在科學上走在前頭。”清華大學工程物理係教授、國家重大科技基礎設施副總指揮兼總工程師李元景說。

　　是工程奇跡，也是暗物質探測的絕佳選址

　　中國錦屏地下實驗室的源起，其實帶點戲劇性。

　　電視上，這隻是一條滾動而過的字幕新聞：2008年8月8日，兩(liang) 條各17.5公裏的錦屏山交通隧道實現雙洞貫通。

　　那時，清華大學工程物理係團隊，正在全國尋找深地實驗室的合適地址。

　　我們(men) 一直生活在宇宙射線的“背景音”中。不同粒子，發出不同聲音，奏出宏大交響樂(le) 。但暗物質太特別。它高冷又嬌羞，幾乎不和任何物體(ti) 發生作用，也幾乎不發聲。人們(men) 需要一個(ge) 足夠安靜的環境，屏蔽掉一切我們(men) 已知的噪聲，再造出足夠敏銳的耳朵，才可能在暗物質粒子迎麵而來時，聽到它的低吟淺唱。

　　所以，必須將一切推到極限。

　　屏蔽宇宙射線的最佳方式，就是將實驗室建在地下。

　　找到暗物質、研究暗物質，將是人類認識的一次重大飛躍，可能引發一場新的物理學革命。

　　尋找暗物質之旅從(cong) 2003年開始。

　　一個(ge) 巧合是，也是在2003年，來自全國各地的近18000名水電開發者，來到人跡罕至的雅礱江錦屏大河灣，鑿開了他們(men) 的戰場，為(wei) 錦屏一、二級水電站修建做準備。

　　金沙江支流雅礱江奔流至木裏、鹽源、冕寧三縣交界處，因被錦屏山阻隔，驟然掉頭，拐向東(dong) 北方，形成長達150公裏的錦屏大河灣。錦屏一、二級電站，就分別選址在這一大河灣東(dong) 西兩(liang) 端。連接兩(liang) 座電站的錦屏山交通隧道，成為(wei) 這浩大水利工程的兩(liang) 條主動脈。

　　清華大學的老師從(cong) 新聞上看到了這個(ge) 奇跡。他們(men) 敏銳地意識到，暗物質實驗室的地址，有了！

　　時任清華大學副校長的程建平教授領著團隊，去往四川，找負責錦屏水電站工程的二灘公司（現雅礱江流域水電開發有限公司，以下簡稱雅礱江公司），反複談了多次。高校和企業(ye) 的這番跨界合作，還真成了。

　　實驗室一期就建在錦屏山隧道中部。空間並不大，隻有4000立方米，但填補了我國沒有深地實驗室的空白。

　　經測定，錦屏地下實驗室內(nei) 的宇宙射線通量可以降到地麵水平的千萬(wan) 分之一到億(yi) 分之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室，也是全球岩石覆蓋厚度最深的地下實驗室。

　　跟所有細節“較勁”，將一切推到極限

　　2010年，中國錦屏地下實驗室正式運行。

　　率先入駐的，是清華大學牽頭的盤古計劃（CDEX）高純鍺暗物質實驗和上海交通大學牽頭的熊貓計劃（PandaX）液氙暗物質實驗項目。兩(liang) 大項目，都是對暗物質進行直接探測，即測量暗物質粒子直接彈性碰撞普通物質引起的反衝(chong) 核的數量和能量等數值。

　　隨著合作組對輻射本底的要求越發苛刻，高純無氧銅也不能直接拿來就用。清華大學工程物理係副教授馬豪說，材料隻要在地麵上，就會(hui) 被宇宙射線撞擊，產(chan) 生新的“噪聲”。於(yu) 是，課題組要將高純無氧銅送到地下實驗室，將銅電解再重組，去掉那些宇生同位素。

　　探測暗物質最核心的裝置，就是高純鍺探測器。

　　傳(chuan) 統高純鍺探測器及其譜儀(yi) 被廣泛應用於(yu) 基礎研究、核監測、核應急、國土安全和放射性管理等領域。但要探測暗物質，對鍺的純度要求更高。

　　千足金叫“999”金，意思是含金量千分數不小於(yu) 999。而課題組需要的鍺，其純度要達到12至13個(ge) 9。

　　目前，國內(nei) 還沒有製備這種大質量高純鍺晶體(ti) 的能力。

　　不過，在十餘(yu) 年尋找暗物質過程中，研究團隊已經攻克了探測器製造技術。現在，團隊已能做出商業(ye) 級別的高純鍺探測器，實現了成果轉化。

　　CDEX合作組的高純鍺探測器，就置身實驗室白色聚乙烯伸縮門後。

　　它身處重重保護之下：1米厚的聚乙烯材料，用來慢化和吸收中子；20厘米厚的鉛層，用來屏蔽外部伽馬射線；20厘米厚的含硼聚乙烯，可以吸收熱中子；20厘米厚的高純無氧銅，則用來屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。

　　2013年，CDEX合作組發表了我國首個(ge) 暗物質直接探測實驗結果。2014年，給出點電極高純鍺暗物質探測方麵國際最靈敏實驗結果。值得一提的是，這一結果，利用相同探測技術，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組給出的暗物質存在區域。而PandaX的實驗結果，曾入選2016年度《科技導報》十大科學進展和2017年度美國物理學會(hui) 亮點。

　　無人知曉暗物質粒子的真身。各個(ge) 暗物質探測團隊，其實都在畫“排除線”。所謂排除線，意思就是，這一塊區域我們(men) 已經找過了，沒有，可以再去別處找找。

　　排除線畫得越多，暗物質可能的藏身空間就會(hui) 被收縮得越小，尋找就能更加有的放矢。

　　二期擴建，向成為(wei) 全球深地科學研究中心進發

　　暗物質實驗取得的成果，推動了我國相關(guan) 基礎前沿領域迅速發展，也吸引了更多科研需求。原有的暗物質實驗要升級，還有核天體(ti) 物理實驗、深地岩石力學實驗、無中微子雙貝塔衰變實驗……中國科學家渴望著這樣一個(ge) 極深地下實驗空間。

　　4000立方米，顯得越發捉襟見肘。

　　2014年，清華大學和雅礱江公司繼續合作，開挖錦屏地下實驗室二期工程。

　　做這樣一個(ge) 大工程，光有科學家團隊是不行的。他們(men) 必須充分整合資源，找到靠譜的合作夥(huo) 伴，協同前進。

　　好在，錦屏地下實驗室被列入了國家重大科技基礎設施“十三五”規劃。它的正式名稱，叫極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施。

　　從(cong) 實驗室一期出來，往西端走上500米左右，就到了實驗室二期。它由4條子隧道構成，總容積達30萬(wan) 立方米，被分成8個(ge) 不同的主實驗廳和其他公共區域。

　　中國錦屏地下實驗室主任程建平曾對科技日報記者打過比方：如果實驗室一期是一套別墅的話，那麽(me) 實驗室二期就是一個(ge) 小區。小區內(nei) ，要容納更多的實驗團隊和實驗項目。

　　但新的難題接踵而至。比如說，通風。

　　二期實驗空間從(cong) 一期的4000立方米增加到了30萬(wan) 立方米，在理論計算和研討以後，建設團隊決(jue) 定安裝三根800毫米管徑的聚乙烯材質的通風管道，從(cong) 西端雅礱江畔的攔汙壩平台經由排水洞輸送新風到實驗大廳，全長9公裏。

　　但是自錦屏水電站發電之後，這條排水洞，實際上處於(yu) 半廢棄狀態。洞內(nei) 沒有照明和通訊設備，有淤泥和湧水，有廢棄的風機、龍門架、鋼筋、混凝土殘渣，還有多處深坑、圍堰、湧水點和欄壩。2016年年初，建設團隊中的清華大學薛濤老師帶領兩(liang) 位工程師，穿著連體(ti) 防水服，帶著對講機、安全繩、救生衣、電筒和鐵鍬，進入排水洞勘察。3個(ge) 小時，他們(men) 穿過淤泥，淌過流水，一點點摸清排水洞洞內(nei) 情況，寫(xie) 成了排水洞勘察報告，為(wei) 通風管道的修建，奠定了前期基礎。

　　現在，不同的科研團隊，帶著他們(men) 各自待解的謎題，等待進入擴建後的中國錦屏地下實驗室。

　　5月下旬，科技日報記者來到地下實驗室二期B廳。在尚未完全建好的實驗室內(nei) ，上海交大牽頭的PandaX合作組已經緊鑼密鼓開始了工作。

　　探測暗物質是國際競爭(zheng) 性項目，其他國家也在發力。這讓科研人員不得不分秒必爭(zheng) 。

　　PandaX實驗升級後的4噸量級的液氙探測器正在緊張調試運行，等候暗物質的“造訪”。“我們(men) 加班加點，但也踏踏實實。在保證安全的前提下，力爭(zheng) 早出結果。” PandaX合作組一名研究人員向科技日報記者透露。

　　“我們(men) 在不斷地接近真相。”上海交通大學物理與(yu) 天文學院助理研究員王舟說。不管是合作還是競爭(zheng) ，人類都在為(wei) 拓展認知邊界而努力。但在他們(men) 內(nei) 心，還是存著為(wei) 國爭(zheng) 光的念頭。“我們(men) 想在人類科學史上，留下屬於(yu) 中國人的一筆。”這位年輕的女科研人員說。

　　CDEX的實驗也會(hui) 升級到百公斤級甚至噸級的高純鍺陣列探測器，將探測靈敏度再提升兩(liang) 個(ge) 數量級。合作組的實驗大廳中，近八層樓高的液氮罐已矗立在基坑內(nei) 。罐內(nei) ，將要放入1000個(ge) 高純鍺探測器。

　　“我們(men) 特別有信心，10年後，中國會(hui) 有一個(ge) 全球聞名的地下實驗室。”李元景說得興(xing) 奮。他設想著，把錦屏地下實驗室變成全球深地科學研究中心。

　　到時，來自世界各地的科學家，從(cong) 涼山西昌乘車一路向北，一路上，隧道連著隧道，高山夾著高山。約兩(liang) 個(ge) 小時後，當錦屏山隧道的入口展現眼前，他們(men) 也會(hui) 下意識感慨：就是這裏了。


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