錦屏山下，那座最“黑”的房子

鐘和 劉明

能不能找到暗物質？誰也無法打包票。

誰也無法給出一個確切的時間表。唯一肯定

的是，這件事情一定要做。中國打造了一個

最“黑”的房子——尋找暗物質的中國錦屏

地下實驗室，在等待一次足以載入史冊的碰

撞。

科研人員早己發現，如果僅存在人們已

經探測到的物質，宇宙根本不應該是現在這

副模樣，一定有什么別的東西在起作用。

暗物質，得名于其不發射任何波段的電

磁波，也不與任何電磁波發生相互作用。它

如此沒有“存在感”，但又如此鮮明地影響

著人類對宇宙的認知——迄今的研究和分析

表明，暗物質占據宇宙物質總質量的80%以

上。

發現并研究暗物質，可能引發物理學的

革命。

暗物質粒子每時每刻都在穿透我們的身

體，但人體無知無覺。甚至只有最精密的儀

器，才可能捕捉到它與原子核碰撞產生的微

弱信號。

而這些信號，又散布于宇宙射線與探測

器碰撞產生的大量背景信號中。它如同一束

微光，只有在足夠黑的房子，用上足夠精巧

的儀器，將一切推到極限，才可能“看

到”。

科研人員為這間足夠黑的房子，找到了

一個絕佳地址。

“黑”屋藏“嬌”

從涼山西昌乘車一路向北，經過漫水

灣，再駛入錦屏水電站專用公路。一路上，

隧道連著隧道，高山夾著高山。約兩個小時

后，錦屏山隧道的入口展現眼前。“中國錦

屏地下實驗室”的標志，便掛在此處。

中國水電泰斗、兩院院士潘家錚曾經這

樣形容錦屏的環境：“峰如斧劈江邊立，路

似繩盤洞里行。”

雅礱江奔流至木里、鹽源、冕寧三縣交

界處，因被錦屏山阻隔，驟然掉頭，拐向東

北方，形成長達150公里的錦屏大河灣。錦屏

一、二級電站，就選址在大河灣東西兩端。

連接兩座電站的錦屏山交通隧道，成為這浩

大水利工程的兩條主動脈。

它們從錦屏山底部穿過，最大埋深將近

2400米，埋深大于1500米洞段占隧道總長的

73.1%。2008年8月8日，兩條各17.5公里的

錦屏山交通隧道實現雙洞貫通。當時的報道

稱，這是在洶涌的雅礱江上創造了奇跡。

工程奇跡，在科研人員眼中，成為“天

賜良機”。巖層，是宇宙射線的天然屏蔽

層。

此前的中國，并沒有自己的地下實驗

室。“許多相關研究無法進行，或者只能與

國外有條件的實驗室聯合開展工作。”清華

大學常務副校長、中國錦屏地下實驗室主任

程建平教授告訴科技日報記者。

2009年，清華大學與二灘公司（現雅礱

江流域水電開發有限公司）簽訂合作協議，

在錦屏山隧道中間位置修建實驗室。2010年

12月，錦屏地下實驗室投入使用，成為我國

首個極深地下實驗室，也是全球最深的地下

實驗室。

經測定，錦屏地下實驗室內的宇宙射線

通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分

之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地

下實驗室。而且，實驗室周圍巖石的放射性

水平也很低。“可以說，中國錦屏地下實驗

室擁有國際一流的實驗環境。”程建平說。

目前，國際上正在運行和建設的地下實

驗室有數十個，主要分布在發達國家。地下

實驗室是開展粒子物理學、天體物理學及宇

宙學等領域一些重大基礎前沿課題的重要研

究場所和良好的低本底環境。

車輛扎入隧道，前行大概20分鐘，就到

了錦屏地下實驗室一期門口。其實，如果不

是老司機領路，你很難在昏暗的隧道中，發

現這處低調的存在。

實驗室一期的容積為4000立方米。目前

中國錦屏地下實驗室己經批準兩個暗物質實

驗項目在其中運行，一個是清華大學領導的

CDEX（中國暗物質實驗）高純鍺暗物質實

驗，一個是上海交通大學領導的PandaX（熊

貓計劃）液氙暗物質實驗項目。進入實驗

室，穿過一條狹長走廊，最先看到的是上海

交通大學主導的“PandaX項目”暗物質探測

裝置。他們采用液氙技術，當暗物質和氙原

子發生碰撞，氙原子會發光，同時也會產生

自由電子。

再往里走，就進入了清華大學主導的

CDEX合作組實驗室。他們用的是高純鍺陣列

探測器，要捕捉的是暗物質粒子與鍺晶體碰

撞時產生的信號。

兩個項目組使用的方法，都是直接探

測，即測量暗物質粒子直接碰撞普通物質引

起的反沖核的數量和能量。

其實，暗物質探測主要有3種方法，除了

直接探測，還有間接探測和加速器實驗。前

者是探測暗物質對互相碰撞、湮滅時產生的

標準模型粒子。我國2015年年底發射的暗物

質探測衛星就正在太空中尋找暗物質碰撞留

下的痕跡。后者是利用加速器將標準模型粒

子加速到高能量后對撞，通過測量對撞丟失

的能量：來反推暗物質的各種性質。

CDEX合作組的核心裝置高純鍺探測器，

藏在白色聚乙烯伸縮門后。它是世界上首個

公斤量級點電極高純鍺探測器，可在質量小

于10GeV的暗物質研究熱點能區開展輕質量區

暗物質探測研究。

探測器身處重重保護之下：1米厚的聚乙

烯材料，用來慢化和吸收中子；20厘米厚的

鉛層，用來屏蔽外部伽馬射線；20厘米厚的

含硼聚乙烯，目的是吸收熱中子；20厘米的

高純無氧銅，則要屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯

的伽馬射線……

屏蔽，是要給它一個極黑的世界，最好

不要漏入一絲外來的光。

運行6年，錦屏地下實驗室取得的成果，

已經將中國的研究團隊推向了尋找暗物質的

前沿：2013年CDEX實驗組在國際上發表了中

國第一個自主暗物質研究成果，研究水平達

到國際第一陣營。2014年，CDEX實驗組獲得

了在10GeV以下能區里同類探測器最靈敏的實

驗結果，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組

多年來宣稱的暗物質存在區域。2016年，

PandaX二期500公斤液氙暗物質探測器運行的

第一個物理結果公布，在3.3萬公斤/天的曝

光量下，未發現暗物質粒子蹤跡，對可能的

暗物質候選對象給出了最新的限制。

從實驗室一期出來，再往里走上500米，

就到了實驗室二期。它由4條子隧道構成，

總容積達30萬立方米，被分成8個不同的主

實驗室和其他公共區域。

實驗室二期奔著“更黑”而去，連施工

所用水泥的輻射量，都必須限定在一定范圍

內。清華大學工程物理系副研究員曾志特別

為此選定了一種中熱水泥。每批水泥運來，

團隊都要先用伽馬譜儀對其輻射量進行嚴格

測定。“低本底環境的營造是一項綜合工

程，細節全部都要考慮到。”曾志說。

“以前這里只有套別墅，清華大學和上

海交大住在這兒。現在，國內外其他科研機

構也需要這樣的條件。所以，我們得擴建出

—個小區。”程建平打了個比方。

“小區”的土建工作已經完成。建“小

區”，同樣困難重重。就連通風這樣的問

題，放到地下，也變得棘手。

實驗室一期的通風管貼著隧道上方洞

壁，一直延伸至洞外。但二期實驗室所需通

風管直徑更大，原有方法無法照搬。

通風系統是二期實驗室建設的關鍵工程

之一。清華大學和雅礱江公司研討后提出方

案：通風管可以從隧道下方的排水洞走。

為摸清排水洞內情況，2016年1月下旬，

一個勘察小組成立了。成員們穿著防水服、

救生衣，戴上頭盔，拿上探照燈、對講機還

有鐵鍬，進了洞。

4個小時，勘察小組走了2.6公里。他們

最終確認，風管安裝施工可以在排水洞進

行。

如今，“小區”的建設正在順利推進。

程建平表示，“小區”建成后，錦屏地下實

驗室將有望逐步發展成為國家級的面向世界

開放的基礎研究平臺。越來越多的國內外科

研團隊將來到這個科研殿堂，在暗物質、中

微子、核天體物理和深地巖石力學等領域開

展研究，破譯前沿基礎科學問題的密碼。

獲得尖端成果

2016年7月21日晚，上海交通大學鴻文講

席教授、中國錦屏地下實驗室PandaX（熊貓

計劃）實驗負責人季向東博士在英國舉行的

兩年一度的國際暗物質大會上正式公布了

PandaX二期500公斤級液氙暗物質探測器運行

的第一個物理結果，在3.3萬公斤/天的曝光

量下，未發現暗物質粒子蹤跡，對可能的暗

物質候選對象得出了最新的限制。這一探測

的靈敏度處于當前世界最高水平。

PandaX暗物質實驗是由上海交通大學牽

頭，國內多個合作單位包括北京大學、山東

大學、中科院上海應用物理研究所、中山大

學、中國科學技術大學、中國原子能科學研

究院和雅礱江流域水電開發有限公司等參與

的首個大型液氙暗物質地下直接探測實驗。

美國馬里蘭大學和密西根大學的科學家也參

加了這個實驗。

實驗合作組由從馬里蘭大學回國的上海

交通大學國家千人計劃專家季向東教授在

2009年組建和領導。實驗室建在由清華大學

和雅礱江流域水電開發有限公司開發的錦屏

深地實驗室之中。

根據最新天文學和宇宙學的研究，暗物

質代表了宇宙中約85%的物質含量。但是，由

于與普通物質沒有直接電磁相互作用，所以

暗物質不發光，類似于“幽靈”，無法用通

常的辦法看到。

科學家們普遍認為，暗物質粒子與普通

物質之間極有可能存在一種微弱的相互作

用。這個作用能使物理學家通過衛星上的探

測器，如中國最近發射的“悟空”，或是發

現上帝粒子的歐洲核子中心大強子對撞機，

或是類似PandaX的深地暗物質探測器來尋找

暗物質。但這個作用太過微弱，暗物質粒子

可以輕松穿過地球，這使探測起來異常困

難。

PandaX實驗用氙原子作為探測靶子，采

取“守株待兔”的方式，探測彌散在地球周

圍的成千上萬億的暗物質粒子可能碰撞到氙

原子上而發生的微弱信號。碰撞會轉化為氙

原子的反沖能，在探測器中發光、發電。光

和電信號都可以通過靈敏的光電管作為“事

件”記錄下來。PandaX實驗首次采用了110個

新型三英時的光電倍增管來進行記錄。

最新結果相當于3.3萬公斤的氙原子在一

天時間內沒有和這些暗物質粒子發生過一次

碰撞，或者一公斤的氙原子在3.3萬天里沒有

發生過一次碰撞。這對可能的暗物質粒子作

出前所未有的實驗限制。而這些限制使暗物

質粒子的“性質”越來越明確，這對暗物質

理論研究提供了非常重要的信息。事實上，

過去的暗物質探測結果已經排除了多種暗物

質理論，而最流行的超對稱暗物質理論也已

受到越來越強的約束。

這種探測實驗最困難的地方是探測器中

可能存在多種外來干擾，這些干擾也會產生

光電信號。即使把實驗室建在2400米深的山

體下，用上百噸的高純材料把探測器層層包

圍起來（這些對暗物質探測毫無影響），在

從2016年3月到6月底近i00天的運行中，

PandaX探測器記錄了約3千萬次的事件。

這些事件可以高效地通過計算機數據處

理的辦法，進行甄別，一一排除。最后剩下

的可疑事件只有一個，該事件發生在北京時

間2016年6月11號3點3分6秒。通過細致分

析，這個事件來源于探測材料的放射性，而

不是暗物質。能這樣很干凈地排除本底干擾

顯示出PandaX探測器在暗物質探測方面巨大

的優越性。

負責實驗數據分析的上海交通大學特聘

教授劉江來表示，這次數據分析挑戰性最高

的地方在于利用一個全新的探測器對所有探

測到的事件進行“模式識別”，用前所未有

的精度來甄別暗物質信號和背景“噪聲”。

由于國際競爭的緊迫性，在PandaX的分析團

隊放棄了所有周末休息時間，每天花十四小

時以上分析和討論，在極短時間內完成了數

據分析工作。

PandaX所用的500公斤級探測器是

PandaX合作組自主研發的，在上海交通大學

實驗室里建造，可以對一個光子或一個電子

進行靈敏探測。這是全世界運行中最大的暗

物質探測器，靈敏度也最高。在該首個i00天

的運行后，PandaX合作組正繼續采集數據進

行更高靈敏度的探測，將在今后一個時期內

領先世界探測水平。

PandaX實驗所在的四川錦屏山是個人跡

罕至的地方。實驗室在17公里隧道的中央，

在現場參與實驗工作的生活條件比較艱苦。

PandaX合作組成員從2012年起有多位成員常

年在該實驗室工作，包括春節和其它節假

日。

負責二期實驗運行的博士生談安迪在錦

屏連續工作三百多天，他表示，“經歷諸多

挫折與內心的煎熬，最終攻克探測器研發與

運行中遇到的各種問題，達到世界領先的靈

敏度，心中是滿滿的幸福。對于一個科研工

作者來說，還有什么比像這樣站在人類對自

然認知的邊緣再往外邁出一小步來的令人振

奮。“談安迪在這個國際大會上報告了實驗

數據詳細分析的過程。

中國科學院院士、中國科學院高能物理

研究所原所長、科技部十三五重大項目組組

長陳和生表示，PandaX二期實驗的最新結果

表明，中國深地暗物質探測實驗已經處于國

際領先水平。

中國科學院院士、中國科技大學教授、

著名高能物理實驗學家趙政國表示，

PandaX二期暗物質實驗是國際當前運行中最

大規模的實驗。在這個國際競爭如此激烈的

領域，他們利用短短100天的數據便得到了國

際領先的對暗物質和普通物質作用的上限，

難能可貴，可喜可賀！這個結果表明，中國

的科學家在探索宇宙、探索自然的最尖端領

域，在中國本土也可以做出國際領先的成

就。

參加國際暗物質大會的科學家對

PandaX實驗組的結果反應非常熱烈，紛紛表

示祝賀。美國能源部主持暗物質項目的官員

Salamon博士表示對PandaX的結果令人震驚

（stunning）。著名的法國原子能院實驗學

家Giomataris博士表示PandaX的結果非常引

人注目（impressive）。國際XENON合作組成

員、荷蘭國家實驗室的Tiseni博士表示這次

會議的“明星”是PandaX實驗。

PandaX實驗受到教育部、上海交通大

學、中國錦屏地下實驗室以及其他合作單位

的大力支持。科技部、中國自然科學基金

委，以及上海市科委和香港鴻文基金會都對

PandaX項目有重要資助。

“捕手”后來居上

2017年底，暗物質粒子探測衛星“悟

空”發表了首篇科學論文，打開了暗物質觀

測的新窗口。其實，在暗物質探測領域，我

國不僅在空間探測上有所作為，地面探測也

可圈可點——中國暗物質探測實驗“熊貓計

劃”（PandaX）獲得的數據，多次成為當年

世界最好結果。在位于四川涼山彝族自治州

的錦屏山下，在覆蓋著2400多米巖石的極深

地下，科學家們正在捕捉暗物質存在的最直

接證據，不斷刷新對暗物質粒子性質的限制

紀錄，為人類探索自然界奧秘貢獻中國力

量。

2400米深的中國四川錦屏山山體內，中

國首個極深地下實驗室里的大型暗物質探測

器日夜運轉。

“如果把探測器中的原子比作一片樹

林，暗物質粒子則是成群結隊飛奔而來、呼

嘯而過的兔子，難免有一只或幾只不長眼的

家伙迎頭撞死在某棵樹下，被農夫捕獲。”

上海交通大學鴻文講席教授、“熊貓計劃”

（PandaX）項目負責人季向東為我們講述錦

屏山深地隧道中正在進行的PandaX。

從2014年3月23日取數到今天，PandaX己

連續運行三年零六個月。2016年、2017年的

兩年問，PandaX發布的數據都是當年全世界

最好的探測結果。“不斷地改進儀器的靈敏

度，有一天我們可能會探測到暗物質。對暗

物質性質的研究，將使人類認知產生一個飛

躍。”季向東說，“即便有一天我們探測不

到暗物質，對暗物質的研究終將刷新人類對

于世界的認知。”

科學家認為，人類的身邊游離著數量眾

多的暗物質，看不見、摸不著，總量大約是

常規世界物質的6倍。過去十多年，許多科

學家窮盡各種實驗方法，試圖與占據宇宙質

量85%的暗物質“接觸”。這是全世界公認的

人類21世紀最重要的科學問題之一，所有的

實驗合作組都期望率先發現暗物質粒子的信

號。

2009年以前，中國本土的暗物質研究還

是一片空白。改變始于錦屏山。2008年8月

8日，北京奧運開幕當天，錦屏山交通配套隧

道貫通。得知這一消息的物理學家們興奮

了，他們敏銳地感到，中國缺乏開展暗物質

研究條件的歷史，或許將被改寫。

2009年3月17日，季向東第一次來到錦屏

山。那時錦屏山隧道剛貫通半年多，洞壁一

直在冒水。穿著長雨靴，深一腳淺一腳，季

向東進了隧道。那天，一行共7人，現任上

海交通大學校長的林忠欽院士帶隊，還有清

華大學、中科院、美國普林斯頓大學、加州

大學洛杉磯分校的幾位教授。

站在隧道中間，頭頂上是厚達2400多米

的山體。整條隧道70%以上的部分，埋深大多

在1500米以下。在極深的地下，絕大多數宇

宙射線被隔離，巖層越厚，屏蔽效果越好，

實驗環境也越純凈，隧道巖層所含的放射性

之低也出乎意料——錦屏山底是暗物質探測

的絕佳寶地。

興奮，激動，熱望，在泥漿滿地的煤黑

色隧道中央，雅礱江流域水電開發有限公司

和清華大學共建中國首個極深地下實驗室，

“PaadaX”計劃隨之起步。

季向東說，起名“熊貓計劃”，一來錦

屏山所在的四川是熊貓的家鄉，二來也是一

個有趣的巧合——“粒子和天體物理氙探測

器”（Particle AND Astrophysical Xenon

Detector）的英文簡寫里本來就有這幾個字

母。實驗原理是用提純的惰性元素氙（xe）

作為“靶子”來尋找暗物質，由上海交通大

學牽頭，國內多個合作單位包括北京大學、

山東大學、中科院上海應用物理研究所、中

山大學、中國科學技術大學、中國原子能科

學研究院和雅礱江流域水電開發有限公司等

共同參與。

PaadaX項目的出現，對世界上液氙暗物

質直接探測領域進行了“重新洗牌”——這

一領域最有影響力的實驗主要是在意大利

Gran Sasso國家地下實驗室進行的XENON暗物

質實驗、美國南達科他州的大型地下氙項目

LUX，以及中國錦屏山實驗室的PandaX項目。

早在2014年Pandax項目取得首個結果時，

《科學》雜志就以《探索暗物質，中國團隊

迎頭趕上》為題，進行了報道。

暗物質粒子與普通物質之間極有可能存

在微弱的相互作用，物理學家通過探測這種

作用來尋找暗物質。

2017年8月，季向東在美國舉行的2017年

度國際高能粒子天體物理大會上，宣布了

PandaX項目合作組最新暗物質探測實驗結

果，再次刷新對暗物質粒子性質限制的世界

紀錄。這是PandaX繼2016年7月發布580公斤

級探測儀的首個探測結果后，第二次發布國

際最靈敏暗物質探測結果。

季向東介紹，PandaX實驗用氙原子作為

“靶子”，探測彌散在地球周圍的成千上萬

億的暗物質粒子可能碰撞到氙原子上而發生

的微弱光電信號。“我們把氙氣高度提純，

在-100℃的低溫下使它成為液體，制作成液

氙探測器。在首個PandaX實驗中，使用了一

個由聚乙烯、鉛及高純銅組成的100噸屏蔽體

屏蔽掉山洞巖石的放射性，研發了一個120公

斤級的液氙探測器。”季向東說，所有的實

驗過程都是“摸著石頭過河”，沒有現成的

經驗，遇到了很多意想不到的困難，這一路

都是在不斷的失敗和嘗試中走過來的。

理論上講，“森林”里的“樹”越多，

捕獲“兔子”的可能性就越大。在2014年完

成120公斤級“熊貓一期”探測儀的基礎上，

PaadaX合作組自主研制了580公斤的“二期”

探測儀。后者是目前國際上最大的暗物質直

接探測儀器之一，也是靈敏度更高、“樹

木”更多的“密林”。2016年7月21日晚，

在英國舉行的兩年一度的國際暗物質大會

上，季向東向全球同行公布了PandaX二期液

氙暗物質探測器運行的第一個物理結果，在

每天3.3萬公斤的曝光量下，未發現暗物質粒

子蹤跡，對可能的暗物質候選對象得出了最

新限制。這一探測的靈敏度處于當時世界最

高水平。

隨后的一年里，PandaX二期合作組對該

探測儀進一步降低噪音，并進行了長時間運

行，使探測器對暗物質和普通物質相互作用

的探測靈敏度提高了3倍多。為了盡快發布

探測結果，上海交通大學劉江來教授帶領多

位研究人員通宵達旦工作，發布的探測結果

再一次刷新對暗物質粒子性質限制的世界紀

錄。

“盡管我們目前還沒有發現暗物質的蹤

跡，但這些實驗結果使暗物質的輪廓越來越

清晰，我們正處在發現暗物質的邊緣。”季

向東表示。

在錦屏山的隧道中央，清華大學牽頭的

CDEX研究計劃也在持續進行，他們選擇了高

純度鍺作為“靶子”，提出利用極低能量閾

高純鍺探測器探測較低質量范圍的暗物質粒

子的研究計劃。

2015年12月，由紫金山天文臺暗物質與

空間天文研究部和中國科技大學、中科院蘭

州近代物理研究所、中科院高能物理研究所

等合作研發的暗物質粒子探測衛星“悟空”

發射升空，標志著中國正式進入暗物質空間

探測領域。如今，“悟空”正在陸續產出科

研成果。

這三個項目是目前中國暗物質探測的主

要科研團隊。在與世界“賽跑”的同時，中

國的暗物質“捕手”后來者居上，不斷刷新

“世界紀錄”，領跑暗物質探測的國際前

沿。

“中國的三支暗物質探測隊伍雖然使用

了不同的探測途徑，但都在各自實驗的基礎

上取得了非常好的成果。”季向東說，“在

未來的時間里，Pandax項目打算進行4噸級液

氙探測器探測實驗，甚至聯合世界科學家進

行30噸級液氙探測器的大型實驗，一步一步

將實驗向前推進，相信會有樂觀的結果產

生。”

“暗物質研究的意義非常重大，中國的

科學家有能力為人類探索未知宇宙做出自己

的努力。”季向東說。

（責任編輯：何萬敏）