世界最深地下實(shí)驗(yàn)室：從地下2400米奔赴“星辰大?！?/h1>

2022-06-10 16:13:27李欣憶

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關(guān)鍵詞：錦屏暗物質(zhì)清華大學(xué)

李欣憶

洞，是水電工程最常見的意象。

在涼山州木里縣、鹽源縣與冕寧縣交界處，150公里長(zhǎng)的雅礱江錦屏大河灣，矗立著兩座世界級(jí)水電站——錦屏一級(jí)水電站，擁有世界第一高壩；錦屏二級(jí)水電站，擁有世界最大規(guī)模的水工隧洞群。

而連接兩座電站、長(zhǎng)17.5公里的錦屏山隧洞里，還藏身著又一個(gè)“世界之最”——世界最深最大的極深地下實(shí)驗(yàn)室。暗物質(zhì)、核天體物理、中微子、巖石力學(xué)……這些前沿科技的研究，都從這座地下2400米的實(shí)驗(yàn)室起航，奔赴“星辰大?！薄?/p>

地下2400米“隧洞”深處

藏身著一個(gè)神秘的地下實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室與水電站的結(jié)緣，緣于一次偶然。2008年8月8日，錦屏山隧道全線貫通。清華大學(xué)工程物理系一位老師看到了新聞，得知錦屏山交通隧道巖石覆蓋達(dá)到2400米，他興奮不已，“這不正是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)夢(mèng)寐以求的地方嗎？”

我們能看到的普通物質(zhì)，在整個(gè)宇宙物質(zhì)質(zhì)量中只占不到15%，剩下85%的都是看不到的物質(zhì)，科學(xué)家們稱為暗物質(zhì)。人類關(guān)于暗物質(zhì)的研究可以追溯到80多年前，天文學(xué)家意識(shí)到，星系中恒星的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)在是太快了，如果不是因?yàn)槭裁瓷衩氐牧α俊白プ　绷怂鼈兒苡锌赡茱w出去。

但暗物質(zhì)一直是個(gè)謎，抓取難度很大，到目前為止，世界上也沒有人真正捕捉到它。而探測(cè)暗物質(zhì)，需要建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室，利用巖層阻擋宇宙射線的干擾，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供最“純凈”的環(huán)境。在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成之前，深地實(shí)驗(yàn)室是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的專利，清華大學(xué)等科研院所只能利用國(guó)外的深地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行暗物質(zhì)研究?？吹藉\屏山隧道貫通的消息后，清華大學(xué)立即與雅礱江公司取得聯(lián)系，希望利用錦屏山隧道的絕佳條件建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。但錦屏山隧道是地質(zhì)條件極為復(fù)雜的水工隧洞，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)挖實(shí)驗(yàn)室，面臨巨大挑戰(zhàn)。

2022年9月22日，正在施工的實(shí)驗(yàn)室二期工地現(xiàn)場(chǎng)，記者碰到了雅礱江流域水電開發(fā)公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局常務(wù)副局長(zhǎng)李名川。據(jù)他介紹，在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期選址和建設(shè)過程中，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)測(cè)量了錦屏山隧道中部的巖石放射性和宇宙線通量，確認(rèn)了錦屏山隧道中部覆蓋巖石是純凈的大理巖，該位置的宇宙線通量約為地面的億分之一，是非常理想的建設(shè)大型地下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的地方。面對(duì)種種風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，雅礱江公司毅然決定支持國(guó)家基礎(chǔ)科研，與清華大學(xué)共建錦屏實(shí)驗(yàn)室。

通過科學(xué)論證解決安全風(fēng)險(xiǎn)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室歷經(jīng)1年半建設(shè)，于2010年12月正式投入使用。

洞穴鑿出的實(shí)驗(yàn)室里

暗物質(zhì)探測(cè)器穿了六層“盔甲”

走進(jìn)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室大門，再穿過幾道鋁合金門之后，一個(gè)神秘的空間展現(xiàn)眼前。只見一些大大小小像氧氣罐一樣的容器、像磚塊一樣的設(shè)備和儀器，看上去不太“科幻”。發(fā)現(xiàn)并研究暗物質(zhì)，可能引發(fā)物理學(xué)的革命。但由于暗物質(zhì)的聲音實(shí)在太小，探測(cè)難度極大。有專家打比方說，就好像在人聲鼎沸的體育場(chǎng)里看比賽，還要聽清一根針掉落的聲音。因此要想探測(cè)它，需要把周圍的干擾物質(zhì)去掉。這些干擾物質(zhì)包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。

清華大學(xué)工程物理系首席研究員岳騫介紹，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室隱藏在山體下，巨大的巖層成為宇宙線的天然屏障，可以屏蔽大量的宇宙線粒子。但這還不夠，為了進(jìn)一步去掉干擾物質(zhì)，這個(gè)神秘空間設(shè)置了重重的防護(hù)“盔甲”。

第一層為天然巖石屏障；第二層澆筑了50厘米厚的混凝土作為洞室安全支護(hù)結(jié)構(gòu)；第三層放置了1米厚的聚乙烯，用于屏蔽中子；第四層為20厘米厚的鉛房子，用于屏蔽伽馬射線；第五層為20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收熱中子；第六層為10厘米厚的“銅房子”，用于屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。

這些設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。重重“盔甲”保護(hù)之下，低溫液氮環(huán)境中，躺著的是直接探測(cè)暗物質(zhì)的1公斤高純鍺實(shí)驗(yàn)探測(cè)器。暗物質(zhì)探測(cè)器需要零下196攝氏度的工作環(huán)境，因此空間內(nèi)將不斷注入液氮。“千足金只有99.9%的含量，即三個(gè)‘9，但高純鍺晶體純度則達(dá)到12個(gè)‘9以上?！痹莉q說，暗物質(zhì)探測(cè)器所探測(cè)到的信號(hào)全部記錄下來之后，清華大學(xué)在北京后方的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室將同步分析數(shù)據(jù)，開展相關(guān)研究。

目前，暗物質(zhì)探測(cè)方法大體分為“上天”“入地”和“人造暗物質(zhì)”3種。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室探測(cè)暗物質(zhì)的方法屬于“入地”——在地下放置暗物質(zhì)探測(cè)器，等待暗物質(zhì)撞上來?！昂?jiǎn)單來說就是‘守株待兔?！痹莉q說，探測(cè)器可以記錄下所有與它產(chǎn)生碰撞的信號(hào)，如果探測(cè)到與普通物質(zhì)不同的信號(hào)，那么就有可能是暗物質(zhì)，“我們?cè)诘却淮屋d入史冊(cè)的碰撞。”

實(shí)驗(yàn)室面積擴(kuò)大近80倍

山體里的洞室有望成為全球深地科學(xué)研究“圣地”

實(shí)驗(yàn)室投用后，首批進(jìn)駐的清華大學(xué)、上海交通大學(xué)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，主要研究對(duì)象是暗物質(zhì)。經(jīng)過這些年的研究，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組取得近30項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先成果，盡管沒能直接探測(cè)到暗物質(zhì)，但是通過排除法縮小了探測(cè)范圍，使我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)從無到有，研究水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，由“跟跑”變?yōu)椤安⑴堋?。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組還將在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成更大規(guī)模的、可同時(shí)探測(cè)暗物質(zhì)和中微子的大型實(shí)驗(yàn)裝置，探尋暗物質(zhì)和中微子的終極奧秘。

2020年，中核集團(tuán)和中科院在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成世界最強(qiáng)流深地核天體物理加速器，并成功出束。未來還將在錦屏開展世界上最先進(jìn)的深地核天體物理實(shí)驗(yàn)，使我國(guó)成為世界核天體物理直接測(cè)量的中心。此外，中國(guó)科學(xué)家還將在這里建成國(guó)際上第一個(gè)可同時(shí)測(cè)量切倫科夫光與閃爍光的大型中微子望遠(yuǎn)鏡，在探索太陽和地球中微子的能力和精度上力爭(zhēng)做到世界第一。以中科院武漢巖土所及四川大學(xué)為代表的巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)組，將深入研究深地巖石力學(xué)、深地地震工程學(xué)與地球物理學(xué)等國(guó)際最前沿的深地基礎(chǔ)科學(xué)問題。

不斷斬獲科研成果的同時(shí)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的面積也將擴(kuò)大。這座山體里的洞室，將在未來打開更多可能。

2016年我國(guó)提出“向深地進(jìn)軍”，同年實(shí)驗(yàn)室二期項(xiàng)目“錦屏大設(shè)施”被列入國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃。經(jīng)過二期擴(kuò)建，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可用空間由之前的4000立方米增加到30萬立方米，擴(kuò)大近80倍，這里將建設(shè)世界最大的暗物質(zhì)探測(cè)器，也將開展多種學(xué)科的深地實(shí)驗(yàn)。

據(jù)李名川介紹，目前錦屏大設(shè)施整個(gè)洞室的開挖、擴(kuò)挖、加固工作已經(jīng)完成，相當(dāng)于毛坯房完成。主體工程正進(jìn)入高峰期，正在施工的是“防水抑氡工程”和鋼結(jié)構(gòu)工程。氡是放射性氣體，不僅是影響個(gè)人健康的一類致癌物，而且其衰變產(chǎn)生的放射性粒子進(jìn)入探測(cè)器，會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！耙虼?，我們決定用10層材料將整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間包裹起來，就像給實(shí)驗(yàn)室做了一個(gè)雞蛋殼，蛋殼內(nèi)部是實(shí)驗(yàn)空間?！崩蠲ㄕf，這10層材料組成的殼體面積共計(jì)11萬平方米，只有10厘米厚，特殊定制的材料本身輻射很低，既防水，又抑制氡氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)材料用量少，減少了環(huán)境輻射，保證實(shí)驗(yàn)空間最大。據(jù)預(yù)計(jì)，錦屏大設(shè)施的土建工程將在2023年6月基本完工，將于2024年11月建成投入使用。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，憑借國(guó)際一流的綜合條件和科研成果，錦屏大設(shè)施在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了強(qiáng)大的學(xué)術(shù)影響力，后續(xù)還將會(huì)吸引更多的國(guó)內(nèi)外頂級(jí)科學(xué)團(tuán)隊(duì)入駐，形成粒子物理、核天體物理、宇宙學(xué)、生命科學(xué)、巖石力學(xué)等多學(xué)科交叉的世界級(jí)開放共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為全球深地科學(xué)研究的“圣地”。

（據(jù)四川在線）

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