在地下2400米探尋宇宙“微光”——解碼中國錦屏地下實驗室

 

深冬的四川省涼山彝族自治州，寒風越過巍峨的錦屏山，吹打在雅礱江兩岸。在錦屏山地下2400米處，一座牽引科技創(chuàng)新的大科學裝置將助力科學家們去探尋宇宙“微光”。

 

12月7日，來自清華大學、上海交通大學等高校和科研院所的10個實驗項目組，入駐中國錦屏地下實驗室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施（簡稱“錦屏大設施”）。這標志著世界最深、最大、最“純凈”的極深地下實驗室正式投入科學運行。

 

 

進軍“深地” 仰望宇宙

 

“天高地迥，覺宇宙之無窮”，從古至今每每談及宇宙，人類都充滿好奇和向往。

 

在浩瀚宇宙中，小到一粒塵埃，大到山川湖海、日月星辰，都是可見的物質。暗物質探測是這些年來科學領域的前沿研究。

 

20世紀30年代，瑞士天文學家弗里茨·茲威基通過大量天文學觀測和推導，首次提出暗物質的猜想。所謂暗物質是指人類肉眼看不到，且使用天文望遠鏡和電磁學手段觀測都無法捕捉到的物質。

 

“暗物質研究是人類認識和了解宇宙的新出發(fā)點。”清華大學工程物理系教授、CDEX暗物質實驗負責人岳騫告訴記者。

 

然而，暗物質與普通物質發(fā)生作用的幾率極低，再加上無處不在的宇宙射線干擾，直接探測到它十分困難。“難度就像在嘈雜的足球賽場尋找一根針掉落的聲音（暗物質碰撞信號）。”國投雅礱江公司錦屏地下實驗室管理局局長李名川說。因此，一座能阻擋宇宙射線、實驗環(huán)境輻射本底低的“純凈”實驗室，成為探測暗物質的必要條件。

 

早在2002年，清華大學就啟動了暗物質研究。由于當時國內沒有實驗條件，研究團隊只能遠赴韓國借用實驗室進行實驗。

 

2008年8月，清華大學科研人員偶然看到“錦屏水電站兩條埋深2400米的隧道貫通”的新聞，認為該隧道是絕佳的探測暗物質實驗場所，便與雅礱江公司取得聯系，希望利用錦屏山隧道共建中國第一座地下實驗室。雙方一拍即合。

 

 

這是雅礱江畔，中國錦屏地下實驗室所在的錦屏山隧道口（11月8日攝，無人機照片）。新華社記者 胥冰潔 攝

 

2010年12月，錦屏地下實驗室一期建成投運，填補了中國深地實驗室的空白。這座4000立方米的實驗室上方被2400米厚的大理巖覆蓋，室內宇宙射線通量僅為地表的一億分之一。“純凈”的實驗環(huán)境、便捷的交通、完備的基礎設施，為首批入駐的清華大學CDEX實驗組和上海交通大學PandaX實驗組開展暗物質探測提供了夢寐以求的絕佳實驗條件。

 

隨著實驗室一期突破性成果不斷涌現，科研團隊對實驗空間的需求越來越大。2020年，可用空間達33萬立方米的實驗室二期項目開工建設，并于2021年作為國家重大科技基礎設施被列入國家“十四五”規(guī)劃。

 

歷經3年建設，如今的錦屏大設施已成為一個涵蓋粒子物理、核天體物理、宇宙學、生命科學、巖石力學等多學科交叉的世界級開放共享實驗平臺，有望在暗物質、中微子等物理研究前沿領域取得突破性進展。

 

 

扎根“地心” 突破極限

 

錦屏地下實驗室上方是綿延百里的錦屏山，奔騰的雅礱江在此被山體阻擋，形成一個巨大的“幾”字彎。深地條件對科學研究是優(yōu)勢，對工程施工卻是難啃的“硬骨頭”。

 

沒有任何經驗可借鑒，錦屏地下實驗室一、二期建設都是“摸著石頭過河”。錦屏山隧道是世界上埋深最深的隧道之一，建設過程中多次遭遇高壓大流量突涌水和巖爆，安全施工難度極大。經過多輪科學論證和技術攻關，建設者最終解決了諸多難題，并在原有交通隧道基礎上先后擴挖建成了一、二期實驗室。

 

 

11月7日拍攝的中國錦屏地下實驗室一期實驗室。新華社記者 胥冰潔 攝

 

值得一提的是，實驗室二期建設不僅極大拓展了實驗空間，還兼顧工程和科學雙重屬性，確保極深地下實驗室最“純凈”。

 

如何做到最“純凈”？建設者將實驗室建設標準細分為四個指標：極低氡氣濃度、極低環(huán)境輻射、超低宇宙線通量、超潔凈空間，開創(chuàng)性地實施了多項創(chuàng)新工法。以防水抑氡技術為例，因巖體不斷釋放的氡氣會極大干擾深地實驗，團隊在11萬平方米的洞室表面“涂”上10層、總厚度僅10厘米的特殊材料予以設防，“好比在洞室表面鋪一層薄薄的雞蛋殼”。工程完成后，經實測圍巖釋放的氡氣含量99%被隔絕在實驗空間外。

 

 

位于中國錦屏地下實驗室二期的中國暗物質實驗CDEX-1T大型液氮恒溫器（2020年攝，資料照片）。新華社發(fā)（國投集團雅礱江流域水電開發(fā)有限公司供圖）

 

二期建設時期，錦屏大設施141項主要設備和建材的選用有極為嚴苛的標準。為盡可能滿足科研要求，建設團隊帶上圖冊，到全國各地聯系了數十家廠商尋求支持。“當時很多廠商反映‘工地遠、用量小、產值低’，再加上輻射本底控制等聞所未聞的特殊要求，讓人望而卻步。”錦屏地下實驗室管理局工程技術部主任工程師李宏璧說。

 

 

中國錦屏地下實驗室二期11萬平方米的洞室表面均涂上了防水抑氡層，實驗室內的空調管道均采用特殊材料，以控制輻射本底（11月7日攝）。新華社記者 胥冰潔 攝

 

“好在一些充滿情懷的廠家愿意和我們共克技術難題。”李宏璧介紹，為尋找低本底砂石骨料，中建三局錦屏大設施Ⅱ標項目經理王偉牽頭組建項目物資保障攻堅小組，走訪調研、地質勘查8個省份，最終篩選出一家穩(wěn)定供應商。

 

 

9月19日，工作人員在中國錦屏地下實驗室二期內作業(yè)。新華社記者 薛晨 攝

 

不少參與建設和科研的工作者將過去幾年形容為“螺螄殼里做道場、毛坯房里做實驗”。有的工人因為在陰暗潮濕的地下環(huán)境施工，患上風濕性關節(jié)炎；有的因為在地下工作，體內缺乏維生素D……但這些困難都沒有難倒參建錦屏大設施的建設者們，他們不斷攻堅克難。

 

 

穿越“逆境” 抵達繁星

 

暗物質和暗能量被科學家們比作“籠罩在21世紀物理學天空中的兩朵烏云”。為了不知何時才能閃現的一道“微光”，中國科學家從未停下探尋的腳步。

 

探測暗物質是國際競爭性項目，各國都在發(fā)力，時不我待。錦屏大設施建設正酣時，上海交大、中國原子能科學研究院等科研團隊同步在施工現場的“裸洞”里潛心實驗。“現階段液氙探測暗物質在國際上競爭激烈，我們要分秒必爭。”PandaX團隊的李帥杰說。

 

埋頭苦干換來豐碩成果。十多年間，中國科學家在《自然》等權威學術期刊累計發(fā)表論文120多篇，一項成果獲2022年度教育部自然科學一等獎，6人獲得國家杰出青年基金。

 

2021年初，中國原子能科學研究院在3個多月時間內，完成錦屏深地核天體物理實驗，研究成果在2021年中國科學院第二十次院士大會上，被列為“戰(zhàn)略高技術領域取得新跨越”成果之一。中國也因此成為世界上第三個具備開展深地核天體物理研究的國家。

 

“不管最終能否找到暗物質，我們現在踏出的每一步都是在探索未知邊界，每往前走一小步都是一個巨大的進步。”上海交通大學教授、PandaX實驗發(fā)言人劉江來說。

 

 

位于中國錦屏地下實驗室二期的粒子和天體物理氙探測實驗PandaX-4T實驗裝置（資料照片）。新華社發(fā)（國投集團雅礱江流域水電開發(fā)有限公司供圖）

 

清華大學CDEX實驗組邊實驗邊創(chuàng)新，完成了高純鍺探測器的更新迭代，并在籌建噸級探測器；上海交大PandaX實驗組液氙探測器也實現了更新升級，未來計劃建設30噸級甚至更大的探測器。

 

“中國已經在向科學大國邁進，基礎研究投入持續(xù)增加，對科研工作者來講是幸運的。”錦屏大設施工程指揮部副總指揮、清華大學工程物理系教授李元景感嘆道。

 

“追光”之路，注定道阻且長。作為國之重器，錦屏大設施會承載更多深地實驗。一批批科研工作者將以此為起點，去擁抱浩瀚星海，為人類未來打開更加廣袤的空間。

 

 

（楊三軍、薛晨、邢拓、尚文意、胥冰潔）