錦屏地下實(shí)驗室大門(mén)受訪(fǎng)者供圖

掃一掃 直抵世界最深地下實(shí)驗室

　　實(shí)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(méi)有深地實(shí)驗室的空白。經(jīng)測定，錦屏地下實(shí)驗室內的宇宙射線(xiàn)通量可以降到地面水平的千萬(wàn)分之一到億分之一，是目前國際上宇宙射線(xiàn)通量最低的地下實(shí)驗室，也是全球巖石覆蓋厚度最深的地下實(shí)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(chǎng)，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(shí)驗室內，科研人員在努力聆聽(tīng)暗物質(zhì)粒子的絮語(yǔ)。

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

　　從理論上來(lái)說(shuō)，暗物質(zhì)并不罕見(jiàn)。據估算，暗物質(zhì)大約占據宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%。但是，它看不見(jiàn)、摸不著(zhù)，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(shuí)能率先找到暗物質(zhì)，誰(shuí)就能在科學(xué)上走在前頭?！鼻迦A大學(xué)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(shuō)。

　　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(shí)驗室的源起，其實(shí)帶點(diǎn)戲劇性。

　　電視上，這只是一條滾動(dòng)而過(guò)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(shí)現雙洞貫通。

　　那時(shí)，清華大學(xué)工程物理系團隊，正在全國尋找深地實(shí)驗室的合適地址。

　　我們一直生活在宇宙射線(xiàn)的“背景音”中。不同粒子，發(fā)出不同聲音，奏出宏大交響樂(lè )。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(gè)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(lái)時(shí)，聽(tīng)到它的低吟淺唱。

　　所以，必須將一切推到極限。

　　屏蔽宇宙射線(xiàn)的最佳方式，就是將實(shí)驗室建在地下。

　　找到暗物質(zhì)、研究暗物質(zhì)，將是人類(lèi)認識的一次重大飛躍，可能引發(fā)一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。

　　尋找暗物質(zhì)之旅從2003年開(kāi)始。

　　一個(gè)巧合是，也是在2003年，來(lái)自全國各地的近18000名水電開(kāi)發(fā)者，來(lái)到人跡罕至的雅礱江錦屏大河灣，鑿開(kāi)了他們的戰場(chǎng)，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(cháng)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(dòng)脈。

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

　　時(shí)任清華大學(xué)副校長(cháng)的程建平教授領(lǐng)著(zhù)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(kāi)發(fā)有限公司，以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)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(méi)有深地實(shí)驗室的空白。

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

　　率先入駐的，是清華大學(xué)牽頭的盤(pán)古計劃（CDEX）高純鍺暗物質(zhì)實(shí)驗和上海交通大學(xué)牽頭的熊貓計劃（PandaX）液氙暗物質(zhì)實(shí)驗項目。兩大項目，都是對暗物質(zhì)進(jìn)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)引起的反沖核的數量和能量等數值。

　　隨著(zhù)合作組對輻射本底的要求越發(fā)苛刻，高純無(wú)氧銅也不能直接拿來(lái)就用。清華大學(xué)工程物理系副教授馬豪說(shuō)，材料只要在地面上，就會(huì )被宇宙射線(xiàn)撞擊，產(chǎn)生新的“噪聲”。于是，課題組要將高純無(wú)氧銅送到地下實(shí)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。

　　傳統高純鍺探測器及其譜儀被廣泛應用于基礎研究、核監測、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不小于999。而課題組需要的鍺，其純度要達到12至13個(gè)9。

　　目前，國內還沒(méi)有制備這種大質(zhì)量高純鍺晶體的能力。

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

　　CDEX合作組的高純鍺探測器，就置身實(shí)驗室白色聚乙烯伸縮門(mén)后。

　　它身處重重保護之下：1米厚的聚乙烯材料，用來(lái)慢化和吸收中子；20厘米厚的鉛層，用來(lái)屏蔽外部伽馬射線(xiàn)；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(wú)氧銅，則用來(lái)屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線(xiàn)。

　　2013年，CDEX合作組發(fā)表了我國首個(gè)暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗結果。2014年，給出點(diǎn)電極高純鍺暗物質(zhì)探測方面國際最靈敏實(shí)驗結果。值得一提的是，這一結果，利用相同探測技術(shù)，確定性地排除了美國CoGeNT實(shí)驗組給出的暗物質(zhì)存在區域。而PandaX的實(shí)驗結果，曾入選2016年度《科技導報》十大科學(xué)進(jìn)展和2017年度美國物理學(xué)會(huì )亮點(diǎn)。

　　無(wú)人知曉暗物質(zhì)粒子的真身。各個(gè)暗物質(zhì)探測團隊，其實(shí)都在畫(huà)“排除線(xiàn)”。所謂排除線(xiàn)，意思就是，這一塊區域我們已經(jīng)找過(guò)了，沒(méi)有，可以再去別處找找。

　　排除線(xiàn)畫(huà)得越多，暗物質(zhì)可能的藏身空間就會(huì )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(xué)研究中心進(jìn)發(fā)

　　暗物質(zhì)實(shí)驗取得的成果，推動(dòng)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(shí)驗要升級，還有核天體物理實(shí)驗、深地巖石力學(xué)實(shí)驗、無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗……中國科學(xué)家渴望著(zhù)這樣一個(gè)極深地下實(shí)驗空間。

　　4000立方米，顯得越發(fā)捉襟見(jiàn)肘。

　　2014年，清華大學(xué)和雅礱江公司繼續合作，開(kāi)挖錦屏地下實(shí)驗室二期工程。

　　做這樣一個(gè)大工程，光有科學(xué)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(jìn)。

　　好在，錦屏地下實(shí)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(chēng)，叫極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗設施。

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

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

　　但新的難題接踵而至。比如說(shuō)，通風(fēng)。

　　二期實(shí)驗空間從一期的4000立方米增加到了30萬(wàn)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(fēng)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(fēng)到實(shí)驗大廳，全長(cháng)9公里。

　　但是自錦屏水電站發(fā)電之后，這條排水洞，實(shí)際上處于半廢棄狀態(tài)。洞內沒(méi)有照明和通訊設備，有淤泥和涌水，有廢棄的風(fēng)機、龍門(mén)架、鋼筋、混凝土殘渣，還有多處深坑、圍堰、涌水點(diǎn)和欄壩。2016年年初，建設團隊中的清華大學(xué)薛濤老師帶領(lǐng)兩位工程師，穿著(zhù)連體防水服，帶著(zhù)對講機、安全繩、救生衣、電筒和鐵鍬，進(jìn)入排水洞勘察。3個(gè)小時(shí)，他們穿過(guò)淤泥，淌過(guò)流水，一點(diǎn)點(diǎn)摸清排水洞洞內情況，寫(xiě)成了排水洞勘察報告，為通風(fēng)管道的修建，奠定了前期基礎。

　　現在，不同的科研團隊，帶著(zhù)他們各自待解的謎題，等待進(jìn)入擴建后的中國錦屏地下實(shí)驗室。

　　5月下旬，科技日報記者來(lái)到地下實(shí)驗室二期B廳。在尚未完全建好的實(shí)驗室內，上海交大牽頭的PandaX合作組已經(jīng)緊鑼密鼓開(kāi)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(shí)驗升級后的4噸量級的液氙探測器正在緊張調試運行，等候暗物質(zhì)的“造訪(fǎng)”?！拔覀兗影嗉狱c(diǎn)，但也踏踏實(shí)實(shí)。在保證安全的前提下，力爭早出結果?！?PandaX合作組一名研究人員向科技日報記者透露。

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

　　CDEX的實(shí)驗也會(huì )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(gè)數量級。合作組的實(shí)驗大廳中，近八層樓高的液氮罐已矗立在基坑內。罐內，將要放入1000個(gè)高純鍺探測器。

　　“我們特別有信心，10年后，中國會(huì )有一個(gè)全球聞名的地下實(shí)驗室?！崩钤罢f(shuō)得興奮。他設想著(zhù)，把錦屏地下實(shí)驗室變成全球深地科學(xué)研究中心。

　　到時(shí)，來(lái)自世界各地的科學(xué)家，從涼山西昌乘車(chē)一路向北，一路上，隧道連著(zhù)隧道，高山夾著(zhù)高山。約兩個(gè)小時(shí)后，當錦屏山隧道的入口展現眼前，他們也會(huì )下意識感慨：就是這里了。


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