中國極深實驗室：探索地下2400 米

主導(dǎo)宇宙演化的洪荒之力到底是什么？探測占宇宙85%的暗物質(zhì)對揭開宇宙奧秘至關(guān)重要，為了研究看不見摸不著的暗物質(zhì)，中國建了首個極深地下實驗室——它垂直巖石覆蓋達2400 米，是世界最深的實驗室。

主導(dǎo)宇宙演化的洪荒之力到底是什么？探測占宇宙85%的暗物質(zhì)，對揭開宇宙奧秘至關(guān)重要，將為人類認識宇宙帶來革命性的突破?？茖W(xué)研究苦苦探尋的答案，也許不在浩渺星空，而在地下2400 米深處。

中國錦屏地下實驗室內(nèi)部圖

科學(xué)家在地下2400 米找什么

在深藏于四川涼山彝族自治州錦屏山地下2400 米深處的中國錦屏地下實驗室里，伴隨著原子核信號放大后的微微閃光，科研人員在不間斷運行的儀器旁，每時每刻的工作就是“找東西”。他們在找什么？找宇宙中最“弱”的光——暗物質(zhì)，它在物質(zhì)起源和宇宙演化過程中具有重要地位的物質(zhì)。眾多觀測數(shù)據(jù)表明，暗物質(zhì)約占整個宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%。但它看不見、摸不著，幾乎不和任何物體發(fā)生作用。

為了捕捉到神秘又“靦腆”的暗物質(zhì)，21 世紀(jì)以來，國際上相繼開展了20 多個探測實驗。人們相信：誰先揭開暗物質(zhì)的面紗，誰就將促成人類對物質(zhì)世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。

當(dāng)前，暗物質(zhì)探測方法大體分為“上天”“入地”和“人造暗物質(zhì)”三類：“上天”指間接探測實驗，為減少地球大氣層的干擾，通常在太空進行；“入地”指直接探測實驗，為減少宇宙線的干擾，通常在地下實驗室進行；“人造暗物質(zhì)”指加速器實驗，即通過普通粒子的對撞來產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，主要在歐洲核子中心的大型強子對撞機上進行。顯而易見，中國錦屏地下實驗室開展的研究就屬于“入地”。

攻克極限挑戰(zhàn)，建成中國首個世界最深的地下實驗室

中國錦屏地下實驗室的誕生并不容易。據(jù)悉，錦屏山隧洞是世界上埋深最深的隧道之一，建設(shè)過程中多次遭遇大流量突涌水，遭遇較大規(guī)模巖爆1200 多次，被國內(nèi)外專家稱為地下工程施工中的“癌癥”。在此基礎(chǔ)上擴挖建設(shè)實驗室，稍有不慎便會再次引發(fā)巖爆、塌方，對原有隧洞造成巨大破壞，甚至對錦屏水電工程建設(shè)造成極大影響。

清華大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司攻克極限挑戰(zhàn)，于2010 年建成了世界最深的地下實驗室——中國錦屏地下實驗室。

2010 年12 月，中國錦屏地下實驗室建成投運。在這里，2400 米的巖石隧道就像一個暗室，利用山體阻擋宇宙射線的干擾，為科學(xué)實驗提供最“純凈”的環(huán)境。與國際上其他地下實驗室相比，這里巖石覆蓋最深，宇宙線通量最小，可用空間最大，并且具備交通便捷、電力及水源充足的優(yōu)勢。

作為前瞻引領(lǐng)型的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，中國錦屏地下實驗室為中國深地基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了重要平臺，成為新的國之重器。實驗室里放置的探測器中的靶粒子會和暗物質(zhì)“相撞”，科學(xué)家們把兩者相互作用后的各種參數(shù)記錄下來，從中統(tǒng)計規(guī)律，再利用這些蛛絲馬跡拼湊出暗物質(zhì)的信息。

在地下實驗室里，中國取得了頗多成果。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，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。2020 年12 月，在地下實驗室建成了世界最強流深地核天體物理加速器，并成功出束?？蒲袌F隊對“圣杯”反應(yīng)（在恒星的演化過程中，會產(chǎn)生從碳-12 到氧-16 的反應(yīng)，它決定了宇宙中的碳氧含量比，直接影響著恒星的演化進程）等進行直接測量，靈敏度、統(tǒng)計精度、曝光量、能量范圍均為國際最高水平。今年10 月，我國科研人員驗證了鈣來源于碳氮氧循環(huán)的突破反應(yīng)這一假說，成功解釋了觀測到的鈣元素的起源問題，強有力地支持了第一代恒星的弱超新星爆模型，并將為詹姆斯·韋布望遠鏡未來觀測提供可靠的數(shù)據(jù)。此外，我國科研人員還在暗物質(zhì)年度調(diào)制、暗光子、軸子等不同暗物質(zhì)模型下給出了一系列國際先進成果，保持國際“并跑”。

“打造中國深度、探索未知前沿”

習(xí)近平總書記在二十大報告中指出：“加快實施一批具有戰(zhàn)略性全局性前瞻性的國家重大科技項目?！?/p>

錦屏大設(shè)施科學(xué)部副主任、清華大學(xué)工程物理系副教授的馬豪對此深有感觸。他指出，借助錦屏地下實驗室，過去10 年間，我國科研人員獲得了一系列國際一流水平的暗物質(zhì)研究成果，實現(xiàn)了我國自主暗物質(zhì)實驗研究從無到有、從跟跑到并跑的跨越。2024 年錦屏地下實驗室二期建成后，實驗室可用空間將由之前的4000 立方米增加至30 萬立方米。在未來5 年，暗物質(zhì)探測器將由目前的10 公斤量級增加至300 公斤量級，將為清華大學(xué)開展暗物質(zhì)和中微子探測實驗提供絕佳平臺。相信會有更多的國際領(lǐng)先的實驗成果不斷地從錦屏地下實驗室里涌現(xiàn)。

“在世界前沿科技的舞臺和先進國家同場競技，我們將以沖刺的速度跑馬拉松。”馬豪說，“打造中國深度、探索未知前沿，是我們追夢錦屏的奮斗目標(biāo)?！?/p>