大涼山：2.4公里地下神秘的世界頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室

文/本刊記者 魏曉文

2008年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中在美國(guó)將他的暗物質(zhì)探測(cè)器搭載航天飛機(jī)送上了國(guó)際空間站，成為人類首個(gè)太空中的宇宙射線探測(cè)器。而此時(shí)他不知道的是，就在他兒時(shí)成長(zhǎng)的中國(guó)四川，與他同樣探究暗物質(zhì)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工程在悄悄展開(kāi)，只不過(guò)，那個(gè)是在天上，這個(gè)是在地下。

暗物質(zhì)，從字面意思我們可以看出，它是一種“看不見(jiàn)”的物質(zhì)。這里所說(shuō)的“看不見(jiàn)”，不單單是說(shuō)用我們的肉眼在可見(jiàn)光波段看不見(jiàn)，而是說(shuō)不論用什么波段的電磁波探測(cè)，比如無(wú)線電、紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它。也就是說(shuō)，暗物質(zhì)幾乎不發(fā)出任何波段的電磁輻射。

1933年，瑞士天文學(xué)家茲威基通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，按照引力定律，所觀察的星系“質(zhì)量不夠”，不足以使其凝聚在一起。此后幾十年中科學(xué)家對(duì)宇宙膨脹速度的測(cè)量、星系形成過(guò)程的模擬，也表明宇宙的總質(zhì)量應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知物質(zhì)的總質(zhì)量。

目前的測(cè)算表明，組成人們已知物質(zhì)的質(zhì)子、中子、電子等粒子，只占宇宙的4%—5%，而暗物質(zhì)則占了宇宙的23%，還有72%—73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。也就是說(shuō)，宇宙中絕大部分的物質(zhì)和能量，對(duì)今天的科學(xué)來(lái)說(shuō)都屬于未知。

科學(xué)家相信，暗物質(zhì)是確實(shí)存在的，但如何找到他，卻成了世紀(jì)難題。

如何才能找到暗物質(zhì)？

目前普遍認(rèn)為有三種方法：第一種是利用加速器碰撞，看能否在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生暗物質(zhì)；第二種是在太空進(jìn)行間接探測(cè)；第三種就是測(cè)量暗物質(zhì)粒子與探測(cè)器靶核碰撞之后產(chǎn)生的信號(hào)，一般在地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

丁肇中采用了第二種方法，而在中國(guó)，試圖用第三種方法來(lái)破解這個(gè)難題。

從成都沿著G 5國(guó)家高速向西南出發(fā)，350公里之后，到達(dá)涼山彝族自治州冕寧縣，再繼續(xù)前進(jìn)90公里之后，到達(dá)州府所在地西昌。

冕寧縣錦屏山，雅礱江在這里湍流而下。超過(guò)300米高的錦屏一級(jí)水電站大壩橫亙?cè)谶@里，這座目前世界上已建、在建和設(shè)計(jì)中最高的雙曲薄拱壩，工程總投資近250億元人民幣；而在其下游7.5公里處的錦屏二級(jí)水電站，投資也超過(guò)了220億元。

錦屏二級(jí)水電站需要在錦屏山下挖掘一批巨型隧道：四條規(guī)模達(dá)16.7公里的導(dǎo)水渠管和兩條17.5公里長(zhǎng)的交通運(yùn)輸隧道及一條排水渠道。

清華大學(xué)的物理學(xué)家認(rèn)為這里是建造地下實(shí)驗(yàn)室的絕佳位置，因?yàn)榘滴镔|(zhì)可能會(huì)受到宇宙射線的影響，而在地表深處，宇宙射線量?jī)H為表面的約億分之一。在這個(gè)相對(duì)“干凈”的地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以避免很多干擾因素來(lái)“打擾”實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。他們與二灘水電公司協(xié)商在隧道群中心建造實(shí)驗(yàn)室。

2009年5月，一紙正式文件簽署，挖掘隨即開(kāi)始。

實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目名稱有些繞口——極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施，公開(kāi)名稱叫做中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，英文簡(jiǎn)稱CJPL。

第一階段的挖掘工作整整進(jìn)行了一年，在2010年6月完成。其中包括一個(gè)4000立方米的實(shí)驗(yàn)空間。

其實(shí)這個(gè)基地沒(méi)有保密可言，是個(gè)開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室。

重大科技基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)中心主任岳騫表示，現(xiàn)代物理學(xué)的重大突破需要極端實(shí)驗(yàn)條件。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)便是可以盡可能的減少宇宙射線的干擾，厚厚的巖石能把大部分宇宙射線都屏蔽掉。打個(gè)比方，如果山頂上有1億個(gè)宇宙射線粒子將射向這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的話，最后大概只有1個(gè)能夠進(jìn)入這里。

第一期項(xiàng)目?jī)?nèi)的空氣通風(fēng)設(shè)備最初并不完備，這直接導(dǎo)致了儀器積灰和空氣中的氡氣濃度升高，直到附加通風(fēng)設(shè)備安裝到位時(shí)情況才有所好轉(zhuǎn)。但二期水電工程修建七條隧道時(shí)保留了兩條分流隧道，兩條總長(zhǎng)約為一公里縱橫交錯(cuò)的斜波隧道，連通五條水道，這些原計(jì)劃竣工后便封堵的隧道，都貢獻(xiàn)給了實(shí)驗(yàn)室，用于設(shè)備支持。

二期項(xiàng)目擴(kuò)建增加了151,000立方米，新增開(kāi)挖包括部分聯(lián)絡(luò)通道，四個(gè)大型實(shí)驗(yàn)廳，每個(gè)達(dá)到25000立方以上的面積，這些大廳在2015年完工，坑井在2016年5月完工，并在2017年5月，安裝好通風(fēng)系統(tǒng)和其他必需品。

幾乎沒(méi)有宇宙射線干擾，使得該項(xiàng)目能夠面向未來(lái)新粒子探測(cè)和新物理研究，為開(kāi)展粒子物理與核物理、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)前沿實(shí)驗(yàn)研究提供平臺(tái)支撐。

涼山州的諸多科技創(chuàng)新不為外人所知，其實(shí)他們有很多的世界第一。

這里有亞洲地區(qū)規(guī)模最大，設(shè)備最先進(jìn)的新型多功能綜合航天靶場(chǎng)，也是中國(guó)目前唯一能發(fā)射地球同步衛(wèi)星的發(fā)射基地，這里有吉狄馬加、彝人制造、山鷹組合、吉克俊逸、莫西子詩(shī)、南瑪子呷。

涼山彝族同胞居住在這片我國(guó)西南地區(qū)這塊高山深谷中的神奇土地上。在這里，彝族人民繁衍生息，創(chuàng)造了悠久的歷史、古老的文化。他們創(chuàng)造了自己獨(dú)特的文化結(jié)構(gòu)，倫理道德、價(jià)值觀念。

無(wú)論地域還是生活，不是缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛，如果我們帶著一雙審美的眼睛去看世界，世界就會(huì)變得可愛(ài)起來(lái)。

“涼山貧困面寬量大程度深是不爭(zhēng)的事實(shí)，但同時(shí)也是全國(guó)乃至世界少有的資源富集地區(qū)。”涼山州委書(shū)記林書(shū)成這樣描述自己奮斗的地方。正是依靠科技創(chuàng)新的力量，古老涼山實(shí)現(xiàn)了“一步跨千年”到“經(jīng)濟(jì)跨千億”的歷史巨變，經(jīng)濟(jì)總量躍居全國(guó)30個(gè)少數(shù)民族自治州前列。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期擴(kuò)建增加了超過(guò)15萬(wàn)立方米的空間，其中包括部分聯(lián)絡(luò)通道，四個(gè)大型實(shí)驗(yàn)廳，還有兩個(gè)用于掩蓋大廳地板下的水箱的坑。在這個(gè)神秘的中國(guó)的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，有一個(gè)深18米的圓柱形大坑，用以填充一個(gè)液氮罐，這是上海交通大學(xué)液氙直接探測(cè)合作組（PandaX）的科研項(xiàng)目。

這些項(xiàng)目竣工后，打破了之前意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNGS）的紀(jì)錄，成為世界上最大的地下實(shí)驗(yàn)室。

重大科技基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)中心主任岳騫表示，現(xiàn)代物理學(xué)的重大突破需要極端實(shí)驗(yàn)條件。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)便是可以盡可能的減少宇宙射線的干擾，厚厚的巖石能把大部分宇宙射線都屏蔽掉。打個(gè)比方，如果山頂上有1億個(gè)宇宙射線粒子將射向這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的話，最后大概只有1個(gè)能夠進(jìn)入這里。

地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的大氣μ子當(dāng)前正在測(cè)量中，她肯定比加拿大薩德伯里中微子觀察實(shí)驗(yàn)室(SNOLAB)的數(shù)值要低，也正因如此，成為了世界上最深的實(shí)驗(yàn)室所保留的記錄。

與目前國(guó)際上其他的地下實(shí)驗(yàn)室相比，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室?guī)r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、基礎(chǔ)設(shè)施完備等優(yōu)勢(shì)。

從面積比較，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的大廳比意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室更大，它的大廳本身就有93,300 立方米，再加上屏蔽坑還有9,300立方米，總共有102,600 立方米，高于意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的95,100 立方米。

在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，大廳外總共還有361000立方米的服務(wù)區(qū)域，而意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的總體積為180000立方米，這個(gè)數(shù)據(jù)更直觀的體現(xiàn)了它第一的位置。

由于實(shí)驗(yàn)室位于一個(gè)大型水電設(shè)備內(nèi)，因而可以獲得大量的電能。

重大科技基礎(chǔ)設(shè)施副總指揮兼總工程師李元景介紹，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室不僅是為中國(guó)科學(xué)家服務(wù)，也對(duì)全世界的科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放，推動(dòng)我國(guó)開(kāi)展國(guó)際級(jí)大科學(xué)合作，吸引國(guó)內(nèi)外頂尖學(xué)者前往開(kāi)展前沿物理實(shí)驗(yàn)，為取得重大物理突破提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。