探訪中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室 探測(cè)暗物質(zhì)

　　◎ 宇宙密度的95％以上是尚不為人們所了解的暗物質(zhì)和暗能量。

　　◎ 中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，垂直巖石覆蓋達(dá)2400米。探測(cè)暗物質(zhì)是這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的重要使命。

　　◎ 錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程土建工作將于明年底完工，30倍于目前實(shí)驗(yàn)室面積的實(shí)驗(yàn)室群將成型。這里將不僅是探測(cè)暗物質(zhì)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

       11月底，乘車從涼山西昌一路向北，在冕寧縣漫水灣駛?cè)脲\屏水電站專用公路，溯流而上，河灘峽谷，山擠著山，兩個(gè)小時(shí)后，車輛一頭扎進(jìn)全長(zhǎng)17.5公里、開車通行需要半個(gè)小時(shí)的錦屏山隧道，我們此行的目的地、國內(nèi)首個(gè)極深實(shí)驗(yàn)室錦屏地下實(shí)驗(yàn)室快到了。一項(xiàng)將帶來未來新科學(xué)革命的研究在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室開展。

　　原子、分子、等離子體……這些人類熟知的重子物質(zhì)只占宇宙總密度的4％或5％，宇宙密度的95％以上是尚不為人們所了解的暗物質(zhì)和暗能量。探測(cè)暗物質(zhì)正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的重要使命。

　　這里的實(shí)驗(yàn)有多神秘？科學(xué)家是怎樣工作生活的？本報(bào)記者走進(jìn)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，帶你“零距離”感受。

　　3個(gè)“萬萬沒想到”

　　萬萬沒想到，這樣一個(gè)被世界物理學(xué)家視為“天堂”的實(shí)驗(yàn)室看起來竟如此簡(jiǎn)單。

　　要進(jìn)入目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，我們滿以為會(huì)像科幻電影中一樣，穿過警衛(wèi)森嚴(yán)的大門，坐著極速電梯一路下行2400米才能到達(dá)核心區(qū)。但萬萬沒想到，進(jìn)隧道行駛了10分鐘左右，車子就在一個(gè)大門口停了下來，除了門口的密碼鎖這大門也再普通不過了。“到了。”司機(jī)說。

　　原來，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室就藏身于錦屏山腹部的隧道中部，垂直巖石覆蓋達(dá)2400米只是它所承受的錦屏山的高度。

　　國際上的地下實(shí)驗(yàn)室分兩種，一種是利用廢棄的礦井，另一種是利用隧道。隧道比礦井交通便捷性好，開車可直達(dá)，但找到合適的隧道并不容易，如果隧道比較短，就必須考慮從山側(cè)穿入的宇宙線。所幸的是，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室利用的長(zhǎng)度17.5公里、穿越錦屏山的隧道是世界第二深埋隧道，再加上錦屏地下實(shí)驗(yàn)室周圍的巖石純度非常高，在這里，高能量的宇宙線被盡可能屏蔽，為暗物質(zhì)探索提供了“干凈”的環(huán)境。

　　第二個(gè)“萬萬沒想到”，是這樣一個(gè)被世界物理學(xué)家視為“天堂”的實(shí)驗(yàn)室看起來竟如此簡(jiǎn)單。

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室呈“T”形結(jié)構(gòu)，進(jìn)門首先是一塊上海交大和清華大學(xué)的公共區(qū)域，與這一區(qū)域垂直的是一個(gè)狹長(zhǎng)的走廊，走廊中，上海交大的暗物質(zhì)直接探測(cè)器材擺在中間，再向里走，穿過一道門，就到了清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，4000立方米的實(shí)驗(yàn)室空間，看上去也就相當(dāng)于3個(gè)大房間。

　　記者睜大了眼睛，來回走了幾圈，只看到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，看上去一點(diǎn)都不“科幻”。“最近有的設(shè)備停下來了在做升級(jí)，里面顯得有點(diǎn)亂，不過你趕上也算幸運(yùn)，一般我們實(shí)驗(yàn)室都不讓人打擾呢。”隨行的清華大學(xué)課題組工作人員覃建強(qiáng)說。

　　最后一個(gè)“萬萬沒想到”，是錦屏地下實(shí)驗(yàn)室里暗藏的“玄機(jī)”。

　　清華暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室是雙層結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們?cè)诘紫乱粚幼鲅芯浚诙臃旁O(shè)備。突然，就像芝麻開門一樣，墻壁上彈出一個(gè)門，有人從門里走出來。原來，這最里面還有第三道門，里面藏的“寶貝”就是清華的暗物質(zhì)探測(cè)儀器。“這個(gè)門可是1米厚的聚乙烯材料，用于阻攔和吸引中子。”覃建強(qiáng)邊走邊介紹，20厘米厚的鉛層，用于屏蔽外部的伽馬射線；20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子；10厘米厚的高純無氧銅，用于阻擋鉛材料及外部其他材料中的伽馬射線，這些屏蔽設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。在最里面的低溫液氮環(huán)境中躺著的是直接探測(cè)暗物質(zhì)的1公斤高純度鍺實(shí)驗(yàn)探測(cè)器，“千足金只有99.9%的含量，即三個(gè)‘9’，但高純度鍺則達(dá)到12個(gè)‘9’以上的純度。”

　　3個(gè)“地下工作者”

　　不僅要干數(shù)據(jù)采集和分析的“細(xì)活兒”，也要干各種搬運(yùn)重物的“粗活兒”，3個(gè)人都是“全能型人才”。

　　目前，守衛(wèi)探測(cè)器的是兩位清華博士生，略顯稚氣的臉龐讓人想不到他們都已經(jīng)博士三年級(jí)和四年級(jí)了。

　　1990年出生的楊麗桃是河北石家莊人，從四川大學(xué)本科畢業(yè)后進(jìn)入清華碩博連讀，2012年開始，楊麗桃就陸續(xù)在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室工作。略顯靦腆的他說起眼前的探測(cè)器話就多了起來，“做研究就要耐得住寂寞，在5-10年內(nèi)想探測(cè)到暗物質(zhì)會(huì)很難很難，我們做的是盡可能在實(shí)驗(yàn)上排除掉暗物質(zhì)不可能存在的區(qū)域，在理論上進(jìn)行不斷地修正，為后來的研究者打好基礎(chǔ)。”來自安徽六安的羅志飛比楊麗桃大兩歲，也是楊麗桃的師兄，從小立志要做追求宇宙奧秘的科學(xué)家。

　　二人所在的“戰(zhàn)斗三人組”還有一名成員覃建強(qiáng)。地道的四川人，從成都理工大學(xué)畢業(yè)后就加入了清華團(tuán)隊(duì)，提供管理和生活協(xié)助。

　　對(duì)他們3人來說，不僅要干專業(yè)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集和分析的“細(xì)活兒”，也要和中鐵21局的工人師傅一起，干各種搬運(yùn)重物、清洗屏蔽組件的“粗活兒”。他們自己開玩笑說，都是“全能型人才”。

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室四季恒溫，不需要空調(diào)，實(shí)現(xiàn)了光纖、網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。但與地面實(shí)驗(yàn)室不同的是，沒有窗戶，別說刮風(fēng)下雨絲毫感覺不到，進(jìn)去久了還容易搞不清外界是白天還是黑夜。“地下工作”時(shí)間久了，會(huì)不會(huì)不適？“地下實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)備很好，絲毫不會(huì)感到氣悶，人在下面呆個(gè)半天，不會(huì)有任何異樣的感覺。”覃建強(qiáng)介紹，一旦儀器運(yùn)行穩(wěn)定后，科研人員只需在地面上的辦公室監(jiān)控探測(cè)器運(yùn)行即可，而地下實(shí)驗(yàn)室的所有數(shù)據(jù)也會(huì)傳送至地面甚至還可以傳回清華，科研人員無需24小時(shí)“守”著探測(cè)器。

　　30倍大的“實(shí)驗(yàn)室群”

　　到明年底，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程土建工作將完工，30倍于目前實(shí)驗(yàn)室面積的實(shí)驗(yàn)室群將成型。

　　隨著歷時(shí)10年建設(shè)的錦屏水電站全面投產(chǎn)，曾經(jīng)機(jī)器轟鳴、萬人勞作的建設(shè)場(chǎng)面不見了，雅礱江水安靜流淌，只有從錦屏山隧道里偶爾出來的卡車，暗示著這里還有唯一的建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)——錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程。

　　2009年，當(dāng)清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司啟動(dòng)中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)時(shí)，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)教授程建平并沒想到，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)在5年后迎來二期建設(shè)的啟動(dòng)。“當(dāng)時(shí)我們基于開展暗物質(zhì)研究的需要來建設(shè)，至于更大規(guī)模、能夠容納更多領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿課題研究的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，我們當(dāng)時(shí)并沒有想過。”程建平坦言。

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室目前容納了上海交大、清華兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別使用液氙探測(cè)器開展暗物質(zhì)的直接探測(cè)和采用低溫半導(dǎo)體開展探測(cè)。4年來，清華大學(xué)發(fā)表了3篇暗物質(zhì)靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，今年11月11日發(fā)表的最新論文更是進(jìn)一步縮小暗物質(zhì)存在區(qū)域，同時(shí)推翻了美國CoGeNT暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組近年來宣稱“已經(jīng)探測(cè)到暗物質(zhì)存在區(qū)域”的結(jié)論；上海交大則發(fā)表了Panda　X實(shí)驗(yàn)得到的首個(gè)物理結(jié)果。

　　清華和上海交大都在準(zhǔn)備更新?lián)Q代探測(cè)設(shè)備。清華從1公斤高純鍺探測(cè)器向10公斤邁進(jìn)，上海交大計(jì)劃將120公斤的液態(tài)氙向500公斤級(jí)的探測(cè)器升級(jí)。而目前，世界上運(yùn)行中最大的該類型探測(cè)器是美國的250公斤級(jí)LUX探測(cè)器。

　　在參與CDEX研究的清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫看來，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室不僅可以探測(cè)暗物質(zhì)，還可以開展地下核天體物理實(shí)驗(yàn)、太陽中微子等重大基礎(chǔ)性前沿課題。“深地實(shí)驗(yàn)物理內(nèi)容豐富，我國又有錦屏地下實(shí)驗(yàn)室這樣得天獨(dú)厚的深地實(shí)驗(yàn)條件，希望更多的人投身其中。”

　　今年8月，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司簽署共同建設(shè)中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的合作協(xié)議，到明年底，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程土建工作將完工，30倍于目前實(shí)驗(yàn)室面積的實(shí)驗(yàn)室群將會(huì)成型。不遠(yuǎn)的將來，這里不僅是探測(cè)暗物質(zhì)的主戰(zhàn)場(chǎng)，更多深地科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目的開展，將使這里成為世界物理學(xué)家心中的圣地。

　　世界最深實(shí)驗(yàn)室“前五”

　　No.1

　　中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL） 巖石覆蓋厚度2400米

　　No.2

　　美國杜賽爾(DUSEL)二期地下實(shí)驗(yàn)室（在建）　　　　巖石覆蓋厚度2300米

　　No.3

　　加拿大斯諾(SNO)地下實(shí)驗(yàn)室 巖石覆蓋厚度約2000米

　　No.4

　　法國摩丹(Modane)地下實(shí)驗(yàn)室 巖石覆蓋厚度約1700米

　　No.5

　　意大利格蘭薩索(GranSasso)地下實(shí)驗(yàn)室 巖石覆蓋厚度約1400米

　　（數(shù)據(jù)參考清華大學(xué)工程物理系程建平等人發(fā)表的《國際地下實(shí)驗(yàn)室發(fā)展綜述》）（記者 劉川 文/圖）