在地下2400米探尋宇宙“微光”——解碼中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室

深冬的四川省涼山彝族自治州，寒風(fēng)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(xué)裝置將助力科學(xué)家們?nèi)ヌ綄び钪妗拔⒐狻薄?/p>

12月7日，來自清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校和科研院所的10個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組，入駐中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施(簡稱“錦屏大設(shè)施”)。這標(biāo)志著世界最深、最大、最“純凈”的極深地下實(shí)驗(yàn)室正式投入科學(xué)運(yùn)行。

進(jìn)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(zhì)。暗物質(zhì)探測是這些年來科學(xué)領(lǐng)域的前沿研究。

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

“暗物質(zhì)研究是人類認(rèn)識和了解宇宙的新出發(fā)點(diǎn)?！鼻迦A大學(xué)工程物理系教授、CDEX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人岳騫告訴記者。

然而，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)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?！半y度就像在嘈雜的足球賽場尋找一根針掉落的聲音(暗物質(zhì)碰撞信號)?！眹堆诺a江公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局局長李名川說。因此，一座能阻擋宇宙射線、實(shí)驗(yàn)環(huán)境輻射本底低的“純凈”實(shí)驗(yàn)室，成為探測暗物質(zhì)的必要條件。

早在2002年，清華大學(xué)就啟動了暗物質(zhì)研究。由于當(dāng)時國內(nèi)沒有實(shí)驗(yàn)條件，研究團(tuán)隊(duì)只能遠(yuǎn)赴韓國借用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2008年8月，清華大學(xué)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(rèn)為該隧道是絕佳的探測暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)場所，便與雅礱江公司取得聯(lián)系，希望利用錦屏山隧道共建我國第一座地下實(shí)驗(yàn)室。雙方一拍即合。

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

2010年12月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期建成投運(yùn)，填補(bǔ)了我國深地實(shí)驗(yàn)室的空白。這座4000立方米的實(shí)驗(yàn)室上方被2400米厚的大理巖覆蓋，室內(nèi)宇宙射線通量僅為地表的一億分之一?！凹儍簟钡膶?shí)驗(yàn)環(huán)境、便捷的交通、完備的基礎(chǔ)設(shè)施，為首批入駐的清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組和上海交通大學(xué)PandaX實(shí)驗(yàn)組開展暗物質(zhì)探測提供了夢寐以求的絕佳實(shí)驗(yàn)條件。

隨著實(shí)驗(yàn)室一期突破性成果不斷涌現(xiàn)，科研團(tuán)隊(duì)對實(shí)驗(yàn)空間的需求越來越大。2020年，可用空間達(dá)33萬立方米的實(shí)驗(yàn)室二期項(xiàng)目開工建設(shè)，并于2021年作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施被列入國家“十四五”規(guī)劃。

歷經(jīng)3年建設(shè)，如今的錦屏大設(shè)施已成為一個涵蓋粒子物理、核天體物理、宇宙學(xué)、生命科學(xué)、巖石力學(xué)等多學(xué)科交叉的世界級開放共享實(shí)驗(yàn)平臺，有望在暗物質(zhì)、中微子等物理研究前沿領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。

扎根“地心” 突破極限

錦屏地下實(shí)驗(yàn)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(xué)研究是優(yōu)勢，對工程施工卻是難啃的“硬骨頭”。

沒有任何經(jīng)驗(yàn)可借鑒，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一、二期建設(shè)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(shè)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(jīng)過多輪科學(xué)論證和技術(shù)攻關(guān)，建設(shè)者最終解決了諸多難題，并在原有交通隧道基礎(chǔ)上先后擴(kuò)挖建成了一、二期實(shí)驗(yàn)室。

11月7日拍攝的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期實(shí)驗(yàn)室。新華社記者 胥冰潔 攝

值得一提的是，實(shí)驗(yàn)室二期建設(shè)不僅極大拓展了實(shí)驗(yàn)空間，還兼顧工程和科學(xué)雙重屬性，確保極深地下實(shí)驗(yàn)室最“純凈”。

如何做到最“純凈”?建設(shè)者將實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)分為四個指標(biāo)：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(shí)施了多項(xiàng)創(chuàng)新工法。以防水抑氡技術(shù)為例，因巖體不斷釋放的氡氣會極大干擾深地實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)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(shè)防，“好比在洞室表面鋪一層薄薄的雞蛋殼”。工程完成后，經(jīng)實(shí)測圍巖釋放的氡氣含量99%被隔絕在實(shí)驗(yàn)空間外。

位于中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的中國暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(tuán)雅礱江流域水電開發(fā)有限公司供圖)

二期建設(shè)時期，錦屏大設(shè)施141項(xiàng)主要設(shè)備和建材的選用有極為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。為盡可能滿足科研要求，建設(shè)團(tuán)隊(duì)帶上圖冊，到全國各地聯(lián)系了數(shù)十家廠商尋求支持?！爱?dāng)時很多廠商反映‘工地遠(yuǎn)、用量小、產(chǎn)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?！卞\屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局工程技術(shù)部主任工程師李宏璧說。

中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期11萬平方米的洞室表面均涂上了防水抑氡層，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空調(diào)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(shù)難題?！崩詈觇到榻B，為尋找低本底砂石骨料，中建三局錦屏大設(shè)施Ⅱ標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理王偉牽頭組建項(xiàng)目物資保障攻堅(jiān)小組，走訪調(diào)研、地質(zhì)勘查8個省份，最終篩選出一家穩(wěn)定供應(yīng)商。

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

不少參與建設(shè)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(shí)驗(yàn)”。有的工人因?yàn)樵陉幇党睗竦牡叵颅h(huán)境施工，患上風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎;有的因?yàn)樵诘叵鹿ぷ?，體內(nèi)缺乏維生素D……但這些困難都沒有難倒參建錦屏大設(shè)施的建設(shè)者們，他們不斷攻堅(jiān)克難。

穿越“逆境” 抵達(dá)繁星

暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家們比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云”。為了不知何時才能閃現(xiàn)的一道“微光”，我國科學(xué)家從未停下探尋的腳步。

探測暗物質(zhì)是國際競爭性項(xiàng)目，各國都在發(fā)力，時不我待。錦屏大設(shè)施建設(shè)正酣時，上海交大、中國原子能科學(xué)研究院等科研團(tuán)隊(duì)同步在施工現(xiàn)場的“裸洞”里潛心實(shí)驗(yàn)?！艾F(xiàn)階段液氙探測暗物質(zhì)在國際上競爭激烈，我們要分秒必爭?！盤andaX團(tuán)隊(duì)的李帥杰說。

埋頭苦干換來豐碩成果。十多年間，我國科學(xué)家在《自然》等權(quán)威學(xué)術(shù)期刊累計(jì)發(fā)表論文120多篇，一項(xiàng)成果獲2022年度教育部自然科學(xué)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(xué)研究院在3個多月時間內(nèi)，完成錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)，研究成果在2021年中國科學(xué)院第二十次院士大會上，被列為“戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域取得新跨越”成果之一。我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(zhì)，我們現(xiàn)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(jìn)步?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)教授、PandaX實(shí)驗(yàn)發(fā)言人劉江來說。

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

清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組邊實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組液氙探測器也實(shí)現(xiàn)了更新升級，未來計(jì)劃建設(shè)30噸級甚至更大的探測器。

“中國已經(jīng)在向科學(xué)大國邁進(jìn)，基礎(chǔ)研究投入持續(xù)增加，對科研工作者來講是幸運(yùn)的?！卞\屏大設(shè)施工程指揮部副總指揮、清華大學(xué)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(shè)施會承載更多深地實(shí)驗(yàn)。一批批科研工作者將以此為起點(diǎn)，去擁抱浩瀚星海，為人類未來打開更加廣袤的空間。

文字記者：楊三軍、薛晨、邢拓、尚文意、胥冰潔

視頻記者：薛晨

海報設(shè)計(jì)：孫瑤

編輯：金小茜、宋為偉、王浩程、姜子煒

統(tǒng)籌：周詠緡、郜新鑫