世界最深地下實驗室：從地下2400米奔赴“星辰大海”

李欣憶

洞，是水電工程最常見的意象。

在涼山州木里縣、鹽源縣與冕寧縣交界處，150公里長的雅礱江錦屏大河灣，矗立著兩座世界級水電站——錦屏一級水電站，擁有世界第一高壩；錦屏二級水電站，擁有世界最大規(guī)模的水工隧洞群。

而連接兩座電站、長17.5公里的錦屏山隧洞里，還藏身著又一個“世界之最”——世界最深最大的極深地下實驗室。暗物質(zhì)、核天體物理、中微子、巖石力學(xué)……這些前沿科技的研究，都從這座地下2400米的實驗室起航，奔赴“星辰大海”。

地下2400米“隧洞”深處

藏身著一個神秘的地下實驗室

實驗室與水電站的結(jié)緣，緣于一次偶然。2008年8月8日，錦屏山隧道全線貫通。清華大學(xué)工程物理系一位老師看到了新聞，得知錦屏山交通隧道巖石覆蓋達(dá)到2400米，他興奮不已，“這不正是暗物質(zhì)實驗夢寐以求的地方嗎？”

我們能看到的普通物質(zhì)，在整個宇宙物質(zhì)質(zhì)量中只占不到15%，剩下85%的都是看不到的物質(zhì)，科學(xué)家們稱為暗物質(zhì)。人類關(guān)于暗物質(zhì)的研究可以追溯到80多年前，天文學(xué)家意識到，星系中恒星的運(yùn)動速度實在是太快了，如果不是因為什么神秘的力量“抓住”了它，它們很有可能飛出去。

但暗物質(zhì)一直是個謎，抓取難度很大，到目前為止，世界上也沒有人真正捕捉到它。而探測暗物質(zhì)，需要建設(shè)深地實驗室，利用巖層阻擋宇宙射線的干擾，為科學(xué)實驗提供最“純凈”的環(huán)境。在錦屏地下實驗室建成之前，深地實驗室是歐美發(fā)達(dá)國家的專利，清華大學(xué)等科研院所只能利用國外的深地實驗室進(jìn)行暗物質(zhì)研究?？吹藉\屏山隧道貫通的消息后，清華大學(xué)立即與雅礱江公司取得聯(lián)系，希望利用錦屏山隧道的絕佳條件建設(shè)實驗室。但錦屏山隧道是地質(zhì)條件極為復(fù)雜的水工隧洞，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)挖實驗室，面臨巨大挑戰(zhàn)。

2022年9月22日，正在施工的實驗室二期工地現(xiàn)場，記者碰到了雅礱江流域水電開發(fā)公司錦屏地下實驗室管理局常務(wù)副局長李名川。據(jù)他介紹，在錦屏地下實驗室一期選址和建設(shè)過程中，清華大學(xué)研究團(tuán)隊詳細(xì)測量了錦屏山隧道中部的巖石放射性和宇宙線通量，確認(rèn)了錦屏山隧道中部覆蓋巖石是純凈的大理巖，該位置的宇宙線通量約為地面的億分之一，是非常理想的建設(shè)大型地下實驗平臺的地方。面對種種風(fēng)險與挑戰(zhàn)，雅礱江公司毅然決定支持國家基礎(chǔ)科研，與清華大學(xué)共建錦屏實驗室。

通過科學(xué)論證解決安全風(fēng)險，中國錦屏地下實驗室歷經(jīng)1年半建設(shè)，于2010年12月正式投入使用。

洞穴鑿出的實驗室里

暗物質(zhì)探測器穿了六層“盔甲”

走進(jìn)中國錦屏地下實驗室大門，再穿過幾道鋁合金門之后，一個神秘的空間展現(xiàn)眼前。只見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，看上去不太“科幻”。發(fā)現(xiàn)并研究暗物質(zhì)，可能引發(fā)物理學(xué)的革命。但由于暗物質(zhì)的聲音實在太小，探測難度極大。有專家打比方說，就好像在人聲鼎沸的體育場里看比賽，還要聽清一根針掉落的聲音。因此要想探測它，需要把周圍的干擾物質(zhì)去掉。這些干擾物質(zhì)包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。

清華大學(xué)工程物理系首席研究員岳騫介紹，中國錦屏地下實驗室隱藏在山體下，巨大的巖層成為宇宙線的天然屏障，可以屏蔽大量的宇宙線粒子。但這還不夠，為了進(jìn)一步去掉干擾物質(zhì)，這個神秘空間設(shè)置了重重的防護(hù)“盔甲”。

第一層為天然巖石屏障；第二層澆筑了50厘米厚的混凝土作為洞室安全支護(hù)結(jié)構(gòu)；第三層放置了1米厚的聚乙烯，用于屏蔽中子；第四層為20厘米厚的鉛房子，用于屏蔽伽馬射線；第五層為20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收熱中子；第六層為10厘米厚的“銅房子”，用于屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。

這些設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。重重“盔甲”保護(hù)之下，低溫液氮環(huán)境中，躺著的是直接探測暗物質(zhì)的1公斤高純鍺實驗探測器。暗物質(zhì)探測器需要零下196攝氏度的工作環(huán)境，因此空間內(nèi)將不斷注入液氮?！扒ё憬鹬挥?9.9%的含量，即三個‘9，但高純鍺晶體純度則達(dá)到12個‘9以上?！痹莉q說，暗物質(zhì)探測器所探測到的信號全部記錄下來之后，清華大學(xué)在北京后方的暗物質(zhì)實驗室將同步分析數(shù)據(jù)，開展相關(guān)研究。

目前，暗物質(zhì)探測方法大體分為“上天”“入地”和“人造暗物質(zhì)”3種。中國錦屏地下實驗室探測暗物質(zhì)的方法屬于“入地”——在地下放置暗物質(zhì)探測器，等待暗物質(zhì)撞上來?！昂唵蝸碚f就是‘守株待兔。”岳騫說，探測器可以記錄下所有與它產(chǎn)生碰撞的信號，如果探測到與普通物質(zhì)不同的信號，那么就有可能是暗物質(zhì)，“我們在等待一次載入史冊的碰撞?！?/p>

實驗室面積擴(kuò)大近80倍

山體里的洞室有望成為全球深地科學(xué)研究“圣地”

實驗室投用后，首批進(jìn)駐的清華大學(xué)、上海交通大學(xué)兩個實驗組，主要研究對象是暗物質(zhì)。經(jīng)過這些年的研究，兩個實驗組取得近30項國際領(lǐng)先成果，盡管沒能直接探測到暗物質(zhì)，但是通過排除法縮小了探測范圍，使我國暗物質(zhì)直接探測實驗從無到有，研究水平達(dá)到國際先進(jìn)，由“跟跑”變?yōu)椤安⑴堋?。這兩個實驗組還將在中國錦屏地下實驗室建成更大規(guī)模的、可同時探測暗物質(zhì)和中微子的大型實驗裝置，探尋暗物質(zhì)和中微子的終極奧秘。

2020年，中核集團(tuán)和中科院在中國錦屏地下實驗室建成世界最強(qiáng)流深地核天體物理加速器，并成功出束。未來還將在錦屏開展世界上最先進(jìn)的深地核天體物理實驗，使我國成為世界核天體物理直接測量的中心。此外，中國科學(xué)家還將在這里建成國際上第一個可同時測量切倫科夫光與閃爍光的大型中微子望遠(yuǎn)鏡，在探索太陽和地球中微子的能力和精度上力爭做到世界第一。以中科院武漢巖土所及四川大學(xué)為代表的巖土力學(xué)實驗組，將深入研究深地巖石力學(xué)、深地地震工程學(xué)與地球物理學(xué)等國際最前沿的深地基礎(chǔ)科學(xué)問題。

不斷斬獲科研成果的同時，中國錦屏地下實驗室的面積也將擴(kuò)大。這座山體里的洞室，將在未來打開更多可能。

2016年我國提出“向深地進(jìn)軍”，同年實驗室二期項目“錦屏大設(shè)施”被列入國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃。經(jīng)過二期擴(kuò)建，中國錦屏地下實驗室可用空間由之前的4000立方米增加到30萬立方米，擴(kuò)大近80倍，這里將建設(shè)世界最大的暗物質(zhì)探測器，也將開展多種學(xué)科的深地實驗。

據(jù)李名川介紹，目前錦屏大設(shè)施整個洞室的開挖、擴(kuò)挖、加固工作已經(jīng)完成，相當(dāng)于毛坯房完成。主體工程正進(jìn)入高峰期，正在施工的是“防水抑氡工程”和鋼結(jié)構(gòu)工程。氡是放射性氣體，不僅是影響個人健康的一類致癌物，而且其衰變產(chǎn)生的放射性粒子進(jìn)入探測器，會干擾實驗結(jié)果?！耙虼耍覀儧Q定用10層材料將整個實驗空間包裹起來，就像給實驗室做了一個雞蛋殼，蛋殼內(nèi)部是實驗空間?！崩蠲ㄕf，這10層材料組成的殼體面積共計11萬平方米，只有10厘米厚，特殊定制的材料本身輻射很低，既防水，又抑制氡氣進(jìn)入實驗室，同時材料用量少，減少了環(huán)境輻射，保證實驗空間最大。據(jù)預(yù)計，錦屏大設(shè)施的土建工程將在2023年6月基本完工，將于2024年11月建成投入使用。

中國錦屏地下實驗室項目相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，憑借國際一流的綜合條件和科研成果，錦屏大設(shè)施在國內(nèi)外產(chǎn)生了強(qiáng)大的學(xué)術(shù)影響力，后續(xù)還將會吸引更多的國內(nèi)外頂級科學(xué)團(tuán)隊入駐，形成粒子物理、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驗平臺，成為全球深地科學(xué)研究的“圣地”。

（據(jù)四川在線）