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?？臻g并不大，只有4000立方米，但填補了我國沒有深地實驗室的空白。經(jīng)測定，錦屏地下實驗室內(nèi)的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室，也是全球巖石覆蓋厚度最深的地下實驗室。

　　就是這里了。

　　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。

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

　　科研人員早已發(fā)現(xiàn)，如果僅存在人們已知的物質(zhì)，宇宙根本不應該是現(xiàn)在這副模樣，一定有別的東西在起作用。

　　從理論上來說，暗物質(zhì)并不罕見。據(jù)估算，暗物質(zhì)大約占據(jù)宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%。但是，它看不見、摸不著，幾乎不和任何物體發(fā)生作用，是存在于模型中的理論推演。

　　“誰能率先找到暗物質(zhì)，誰就能在科學上走在前頭?！鼻迦A大學工程物理系教授、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(zhì)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，這只是一條滾動而過的字幕新聞：2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實現(xiàn)雙洞貫通。

　　那時，清華大學工程物理系團隊，正在全國尋找深地實驗室的合適地址。

　　我們一直生活在宇宙射線的“背景音”中。不同粒子，發(fā)出不同聲音，奏出宏大交響樂。但暗物質(zhì)太特別。它高冷又嬌羞，幾乎不和任何物體發(fā)生作用，也幾乎不發(fā)聲。人們需要一個足夠安靜的環(huán)境，屏蔽掉一切我們已知的噪聲，再造出足夠敏銳的耳朵，才可能在暗物質(zhì)粒子迎面而來時，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(zhì)、研究暗物質(zhì)，將是人類認識的一次重大飛躍，可能引發(fā)一場新的物理學革命。

　　尋找暗物質(zhì)之旅從2003年開始。

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

　　金沙江支流雅礱江奔流至木里、鹽源、冕寧三縣交界處，因被錦屏山阻隔，驟然掉頭，拐向東北方，形成長達150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級電站，就分別選址在這一大河灣東西兩端。連接兩座電站的錦屏山交通隧道，成為這浩大水利工程的兩條主動脈。

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

　　時任清華大學副校長的程建平教授領(lǐng)著團隊，去往四川，找負責錦屏水電站工程的二灘公司（現(xiàn)雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，以下簡稱雅礱江公司），反復談了多次。高校和企業(yè)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?？臻g并不大，只有4000立方米，但填補了我國沒有深地實驗室的空白。

　　經(jīng)測定，錦屏地下實驗室內(nèi)的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室，也是全球巖石覆蓋厚度最深的地下實驗室。

　　跟所有細節(jié)“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(zhì)實驗和上海交通大學牽頭的熊貓計劃（PandaX）液氙暗物質(zhì)實驗項目。兩大項目，都是對暗物質(zhì)進行直接探測，即測量暗物質(zhì)粒子直接彈性碰撞普通物質(zhì)引起的反沖核的數(shù)量和能量等數(shù)值。

　　隨著合作組對輻射本底的要求越發(fā)苛刻，高純無氧銅也不能直接拿來就用。清華大學工程物理系副教授馬豪說，材料只要在地面上，就會被宇宙射線撞擊，產(chǎn)生新的“噪聲”。于是，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(zhì)最核心的裝置，就是高純鍺探測器。

　　傳統(tǒng)高純鍺探測器及其譜儀被廣泛應用于基礎研究、核監(jiān)測、核應急、國土安全和放射性管理等領(lǐng)域。但要探測暗物質(zhì)，對鍺的純度要求更高。

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

　　目前，國內(nèi)還沒有制備這種大質(zhì)量高純鍺晶體的能力。

　　不過，在十余年尋找暗物質(zhì)過程中，研究團隊已經(jīng)攻克了探測器制造技術(shù)?，F(xiàn)在，團隊已能做出商業(yè)級別的高純鍺探測器，實現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)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后。

　　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(fā)表了我國首個暗物質(zhì)直接探測實驗結(jié)果。2014年，給出點電極高純鍺暗物質(zhì)探測方面國際最靈敏實驗結(jié)果。值得一提的是，這一結(jié)果，利用相同探測技術(shù)，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組給出的暗物質(zhì)存在區(qū)域。而PandaX的實驗結(jié)果，曾入選2016年度《科技導報》十大科學進展和2017年度美國物理學會亮點。

　　無人知曉暗物質(zhì)粒子的真身。各個暗物質(zhì)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(qū)域我們已經(jīng)找過了，沒有，可以再去別處找找。

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

　　二期擴建，向成為全球深地科學研究中心進發(fā)

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

　　4000立方米，顯得越發(fā)捉襟見肘。

　　2014年，清華大學和雅礱江公司繼續(xù)合作，開挖錦屏地下實驗室二期工程。

　　做這樣一個大工程，光有科學家團隊是不行的。他們必須充分整合資源，找到靠譜的合作伙伴，協(xié)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(guī)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(gòu)成，總?cè)莘e達30萬立方米，被分成8個不同的主實驗廳和其他公共區(qū)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，那么實驗室二期就是一個小區(qū)。小區(qū)內(nèi)，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。

　　二期實驗空間從一期的4000立方米增加到了30萬立方米，在理論計算和研討以后，建設團隊決定安裝三根800毫米管徑的聚乙烯材質(zhì)的通風管道，從西端雅礱江畔的攔污壩平臺經(jīng)由排水洞輸送新風到實驗大廳，全長9公里。

　　但是自錦屏水電站發(fā)電之后，這條排水洞，實際上處于半廢棄狀態(tài)。洞內(nèi)沒有照明和通訊設備，有淤泥和涌水，有廢棄的風機、龍門架、鋼筋、混凝土殘渣，還有多處深坑、圍堰、涌水點和欄壩。2016年年初，建設團隊中的清華大學薛濤老師帶領(lǐng)兩位工程師，穿著連體防水服，帶著對講機、安全繩、救生衣、電筒和鐵鍬，進入排水洞勘察。3個小時，他們穿過淤泥，淌過流水，一點點摸清排水洞洞內(nèi)情況，寫成了排水洞勘察報告，為通風管道的修建，奠定了前期基礎。

　　現(xiàn)在，不同的科研團隊，帶著他們各自待解的謎題，等待進入擴建后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(nèi)，上海交大牽頭的PandaX合作組已經(jīng)緊鑼密鼓開始了工作。

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

　　PandaX實驗升級后的4噸量級的液氙探測器正在緊張調(diào)試運行，等候暗物質(zhì)的“造訪”?！拔覀兗影嗉狱c，但也踏踏實實。在保證安全的前提下，力爭早出結(jié)果?！?PandaX合作組一名研究人員向科技日報記者透露。

　　“我們在不斷地接近真相?！鄙虾＝煌ù髮W物理與天文學院助理研究員王舟說。不管是合作還是競爭，人類都在為拓展認知邊界而努力。但在他們內(nèi)心，還是存著為國爭光的念頭。“我們想在人類科學史上，留下屬于中國人的一筆?！边@位年輕的女科研人員說。

　　CDEX的實驗也會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個數(shù)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(nèi)。罐內(nèi)，將要放入1000個高純鍺探測器。

　　“我們特別有信心，10年后，中國會有一個全球聞名的地下實驗室?！崩钤罢f得興奮。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。約兩個小時后，當錦屏山隧道的入口展現(xiàn)眼前，他們也會下意識感慨：就是這里了。


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