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探秘！地下2400米，這個全世界最深的地下實驗室在研究什麼？

2021年6月06日 - 科學小編京報網

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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，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，如果僅存在人們已知的物質，宇宙根本不應該是現在這副模樣，一定有別的東西在起作用。

從理論上來說，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，幾乎不和任何物體發生作用，是存在於模型中的理論推演。

“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，發出不同聲音，奏出宏大交響樂。但暗物質太特別。它高冷又嬌羞，幾乎不和任何物體發生作用，也幾乎不發聲。人們需要一個足夠安靜的環境，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、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名水電開發者，來到人跡罕至的雅礱江錦屏大河灣，鑿開了他們的戰場，為錦屏一、二級水電站修建做准備。

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，只有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沖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，產生新的“噪聲”。於是，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。

傳統高純鍺探測器及其譜儀被廣泛應用於基礎研究、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999。而課題組需要的鍺，其純度要達到12至13個9。

目前，國內還沒有制備這種大質量高純鍺晶體的能力。

不過，在十餘年尋找暗物質過程中，研究團隊已經攻克了探測器制造技術。現在，團隊已能做出商業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面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年度美國物理學會亮點。

無人知曉暗物質粒子的真身。各個暗物質探測團隊，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

暗物質實驗取得的成果，推動了我國相關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，找到靠譜的合作夥伴，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30萬立方米，被分成8個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，那麼實驗室二期就是一個小區。小區內，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後，建設團隊決定安裝三根800毫米管徑的聚乙烯材質的通風管道，從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公里。

但是自錦屏水電站發電之後，這條排水洞，實際上處於半廢棄狀態。洞內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，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性項目，其他國家也在發力。這讓科研人員不得不分秒必爭。

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”。“我們加班加點，但也踏踏實實。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。”上海交通大學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，留下屬於中國人的一筆。”這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。罐內，將要放入1000個高純鍺探測器。

“我們特別有信心，10年後，中國會有一個全球聞名的地下實驗室。”李元景說得興奮。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。約兩個小時後，當錦屏山隧道的入口展現眼前，他們也會下意識感慨：就是這裏了。

大事記

2009年5月8日。清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署共建中國錦屏地下實驗室戰略合作協議，啟動實驗室建設。

2010年12月12日。中國錦屏地下實驗室正式投入使用，引發全球科學界矚目。

2014年8月1日。清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽訂二期建設協議。

2015年。實驗室二期土建完成。

2016年12月。基於中國錦屏地下實驗室二期建設的極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施被列入“十三五”國家重大科技基礎設施規劃。

2018年12月13日。國家發改委批複極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施項目可行性研究報告。

2019年7月20日。國家重大科技基礎設施極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施項目啟動儀式在四川錦屏舉行。

2020年9月4日。清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署第三輪戰略合作協議，繼續共同推進國家重大科技基礎設施項目建設。

2020年12月20日。國家重大科技基礎設施極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施項目正式開工建設。

（預計）2024年。國家重大科技基礎設施極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施項目投入運行。

親曆者說

李元景：希望給國家、給人類留下一份資產

2009年12月31日，清華大學工程物理系教授李元景接到在錦屏交通隧道內盯工程進度的清華大學教師易難的電話。對方告訴他，挖到頭了，實驗室的雛形有了。

這是一份珍貴的新年禮物。

“我們一直懸著的一顆心，終於能暫時放下了。”李元景回憶，從無到有的那一刻，最是叫人激動。沒有這個4000立方米的小小空間，就沒有後面的一切。

十年之前，錦屏地下實驗室周邊配套基礎設施還沒有今天這麼完善。去盯工程、測岩石放射性本底的老師，就和工人同吃、同住。那時候，西昌的飛機場小得像個長途客運站。從北京過去，沒有直飛飛機，必須經停成都。往往早上天不亮出門，晚上到天擦黑才能到地方安頓下來。

當年，施工隊的工人跟易難開玩笑，說要是挖出了暗物質，能不能給他們一塊。易難給他們科普什麼是暗物質，來自四川的師傅們嘴一撇：這不就是“捉鬼”嘛。

在李元景的設想裏，錦屏地下實驗室，應該成為一個開放的國際性實驗平台。“很多宏偉的目標，不是我們這一代人能夠實現的。我們希望給國家、給人類留下一份資產，讓中國在一定時間段內，借助錦屏地下實驗室這個平台，在深地科學上保持領先。”

從發現錦屏，到建好錦屏地下實驗室一期，再到啟動二期建設……十餘年來，團隊遇到過挫折，遭到過不解，頂住了壓力，克服了大大小小的困難。李元景總結，能走到今天，靠的是一支配合默契、敢打敢拼的隊伍，靠的是堅持不懈，永不言敗。“這是一個絕佳的機會，放棄了，可能就再也沒有了。抓住了，中國的這個實驗室，能在世界上留下名字。”

做科技基礎設施，還需久久為功。

有些短平快的項目，很快就能出成果，就能有專利，甚至能賺錢。“做大科學設施，確實需要甘於寂寞、甘於奉獻。突破性科學成果的出現，不可能一蹴而就，必須持續努力。”李元景說。

暗物質究竟什麼時候會被找到？沒人能給出確定答案。李元景說，你永遠不知道明天會發現什麼，但現在，至少我們有了成功的可能。“這就是科研的魅力，每天都有不同，每天都可能有新的發現。”