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　　作者| 鴻鵠，科技愛好者

　　錦屏山位于雅礱江之南，海拔4200米，雅礱江奔流至此改道，形成了長(zhǎng)達(dá)150公里的U形大河灣，大河灣東西兩端建起了錦屏一、二級(jí)電站，為此又開鑿了連接兩座電站的錦屏山交通隧道。在這條隧道的基礎(chǔ)上，中國(guó)建立了首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是國(guó)際上巖石覆蓋最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

　　看到這里，你可能要問：建這么深的實(shí)驗(yàn)室到底是為了什么？在這里建實(shí)驗(yàn)室有什么好處嗎？

　　下面就讓我們介紹一下這個(gè)“神秘”的實(shí)驗(yàn)室——錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。

　?。ㄥ\屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室是世界上巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室）

　　（一）什么是“暗物質(zhì)”？

　　說起暗物質(zhì)，大家可能都不陌生。最近上映的《復(fù)聯(lián)3》中，滅霸收集的六顆無限寶石中，就有這么一顆可以把普通物質(zhì)變成暗物質(zhì)的真實(shí)寶石。在《雷神2》中，黑暗精靈就運(yùn)用了這顆寶石，還差點(diǎn)毀滅了宇宙。

　　那么，暗物質(zhì)真有這么可怕嗎？它為什么會(huì)發(fā)“暗”？

　　生活中，人們能看得見各種物質(zhì)，是因?yàn)檫@些物質(zhì)攜帶了電子，能夠“發(fā)光”，而近一步觸摸這些物質(zhì)，你就能感知它們的存在，這是由于它們產(chǎn)生了電磁場(chǎng)的相互作用。

　　但與之相對(duì)的，暗物質(zhì)不帶電荷，且缺少電磁場(chǎng)的相互作用，無法通過電磁波進(jìn)行觀測(cè)，就像是“幽靈”一樣無法被“感知”。

　　然而就是這樣的東西，卻被科學(xué)家認(rèn)為是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，決定了宇宙的演化與未來。

　　而且，在現(xiàn)有的科學(xué)理論模型中，科學(xué)家能解釋的普通物質(zhì)只有不到5％，而從未探測(cè)到的暗物質(zhì)與暗能量占宇宙構(gòu)成的95%。所以，暗物質(zhì)與暗能量對(duì)完善現(xiàn)有的基礎(chǔ)物理學(xué)有重要意義。

　　暗物質(zhì)與暗能量被認(rèn)為是本世紀(jì)物理學(xué)上的兩朵“烏云”。要知道，上個(gè)世紀(jì)物理學(xué)出現(xiàn)的兩朵烏云，導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生，影響至今。所以“什么是暗物質(zhì)”一直被列為在21世紀(jì)必須要解答的首要科學(xué)問題。

　　暗物質(zhì)雖然距離人類生活還比較遙遠(yuǎn)，研究的價(jià)值和意義短期內(nèi)還無法凸顯，但揭開暗物質(zhì)之謎，毋庸置疑將帶來物理學(xué)的又一次革命。

　?。ò滴镔|(zhì)和暗能量占據(jù)了宇宙的大部分）

　　（二）錦屏地下實(shí)驗(yàn)室：世界上最“干凈”的地下實(shí)驗(yàn)室

　　目前物理學(xué)家普遍認(rèn)為，暗物質(zhì)雖然質(zhì)量很大，但其作用力卻微乎其微，跟普通物質(zhì)幾乎不產(chǎn)生相互作用。也就是說，即使每天有數(shù)不盡的暗物質(zhì)從你身體穿過，你也無法感知。所以，想要直接探測(cè)到暗物質(zhì)是很困難的。

　　為了直接探測(cè)到暗物質(zhì)，科學(xué)家設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)，讓原子核與暗物質(zhì)發(fā)生碰撞，通過探測(cè)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)，來研究暗物質(zhì)。

　　但在地面上，不僅有無處不在的宇宙射線，還有生活中產(chǎn)生的各種輻射，這些都嚴(yán)重干擾了暗物質(zhì)的探測(cè)，使得碰撞產(chǎn)生的信號(hào)很難有效地被鑒別。

　　而處于極低輻射環(huán)境的極深地下實(shí)驗(yàn)室，能最大程度地屏蔽宇宙射線等的影響，讓探測(cè)器探測(cè)到有效的信號(hào)，是開展暗物質(zhì)探測(cè)的重要研究場(chǎng)所。

　?。ㄖ袊?guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室）

　　地下實(shí)驗(yàn)室能夠有效地屏蔽宇宙射線，其奧秘就在于它所處的巖石層。

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室所處巖石層的天然放射性非常低，一些主要巖石放射性低于地表正常環(huán)境的幾十分之一到幾百分之一。而且實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400多米，能夠屏蔽絕大多數(shù)的宇宙射線。

　　所以，該實(shí)驗(yàn)室的宇宙射線通量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于加拿大巖石覆蓋厚度2000米的斯諾實(shí)驗(yàn)室，大約相當(dāng)于地面水平的億分之一，可以說這里是世界上最“干凈”的地下實(shí)驗(yàn)室。

　?。ǖ叵聦?shí)驗(yàn)室位置和屏蔽層結(jié)構(gòu)）

　　所謂最“干凈”，是指錦屏地下實(shí)驗(yàn)室輻射最少、雜質(zhì)最少。為了這個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室更 “干凈”，實(shí)驗(yàn)室外層還增加了特殊的防護(hù)：1米厚的聚乙烯材料（阻攔和吸引中子）、20厘米厚的鉛層（屏蔽外部的伽馬射線）、20厘米厚的含硼聚乙烯（進(jìn)一步吸收剩余中子）和10厘米厚的高純無氧銅（阻擋鉛材料本身及外部其他材料中的伽馬射線）。經(jīng)過這些防護(hù)后，可以說，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)屏蔽掉了目前能想到的一切輻射源。

　　正是這樣的防護(hù)水平，加上得天獨(dú)厚的地下實(shí)驗(yàn)條件，讓中國(guó)科學(xué)家獲得了許多關(guān)于暗物質(zhì)研究的寶貴數(shù)據(jù)，使得中國(guó)對(duì)于低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測(cè)靈敏度第一次達(dá)到了國(guó)際一流水平，確立了中國(guó)在國(guó)際暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)第一陣營(yíng)的地位，極大地提升了中國(guó)在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的研究水平和國(guó)際影響力。

　　（三）地下實(shí)驗(yàn)室是怎么“捕捉”暗物質(zhì)的？

　　一般來說，暗物質(zhì)探測(cè)主要有3種方法，除了直接探測(cè)，還有間接探測(cè)和加速器實(shí)驗(yàn)。

　　間接探測(cè)就是探測(cè)暗物質(zhì)粒子發(fā)生衰變或者湮滅之后產(chǎn)生的穩(wěn)定的高能粒子，這一類探測(cè)通常是在高空或者太空進(jìn)行的，如中國(guó)2015年年底發(fā)射的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)。

　　加速器實(shí)驗(yàn)則是利用加速器將標(biāo)準(zhǔn)模型粒子加速到高能量后對(duì)撞，通過測(cè)量對(duì)撞丟失的能量來反推暗物質(zhì)的各種性質(zhì)。

　?。?015年中國(guó)就發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”號(hào)，是目前尋找暗物質(zhì)的另外一種方法）

　　目前，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室有兩個(gè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組，一個(gè)是清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX（中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)）高純鍺暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX（熊貓計(jì)劃）液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這兩個(gè)項(xiàng)目組采用的都是直接探測(cè)的方法，就是測(cè)量暗物質(zhì)粒子直接碰撞普通物質(zhì)引起的反沖核的數(shù)量和能量。

　　其中，清華大學(xué)項(xiàng)目組的核心裝置高純鍺探測(cè)器是世界上首個(gè)公斤量級(jí)點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器，可在質(zhì)量小于10GeV的暗物質(zhì)研究熱點(diǎn)能區(qū)開展輕質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)探測(cè)研究。2014年，CDEX實(shí)驗(yàn)組獲得了在10GeV以下能區(qū)里同類探測(cè)器最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，排除了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組多年來宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域。

　　而上海交通大學(xué)項(xiàng)目組采用液氙技術(shù)，也取得了很多突破成果。

　　液態(tài)氙是一種冷物質(zhì)，重量是水的3倍，其作用是探測(cè)微弱的相互作用粒子，當(dāng)暗物質(zhì)跟氙原子發(fā)生碰撞時(shí)，氙原子就會(huì)發(fā)光，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生自由電子。

　　上海交通大學(xué)項(xiàng)目組采用液氙技術(shù)，就是在液態(tài)氙容器內(nèi)想方設(shè)法地探測(cè)到這些微弱的光和自由電子，并且排除其他信號(hào)造成的誤判，從而捕捉到“暗物質(zhì)”。

　　2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物質(zhì)探測(cè)器運(yùn)行的第一個(gè)物理結(jié)果公布，在3.3萬公斤/天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，不過探測(cè)器對(duì)可能的暗物質(zhì)候選對(duì)象給出了最新的限制，極大地縮小了暗物質(zhì)存在的范圍。

　　在過去的20年里，像這類前沿的基礎(chǔ)科學(xué)問題，主角還只是歐美的科學(xué)家，中國(guó)科學(xué)家想要從事相關(guān)研究，只能是到外國(guó)去，參與國(guó)外的科研項(xiàng)目。而現(xiàn)在，中國(guó)已不甘于在這類研究中充當(dāng)西方研究機(jī)構(gòu)的配角，正準(zhǔn)備以大膽的步伐顛覆粒子物理研究領(lǐng)域的格局。

　　（四）從一期到二期工程：越來越“黑”，也擁有更多的黑科技

　　在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室之前，中國(guó)并沒有自己的地下實(shí)驗(yàn)室。在錦屏上設(shè)立中國(guó)第一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，可以說是借了錦屏山隧道工程的光。

　　實(shí)驗(yàn)室所在的錦屏山隧洞工程總共包括兩條交通隧洞、4條長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)囊矶春?條排水隧洞，是世界上規(guī)模最大的水工隧洞群，需要克服高地應(yīng)力、高壓涌水等難題。

　　其中難度最大的兩條交通隧道在2008年實(shí)現(xiàn)雙洞貫通（長(zhǎng)17.5公里），隧洞的埋深大于1500米的洞段占隧道總長(zhǎng)的73.1%，最大埋深將近2400米，是中國(guó)第一、世界第二埋深的交通隧道，可以說是中國(guó)在洶涌的雅礱江上創(chuàng)造的工程奇跡。

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期就是利用了這條交通隧道，在其側(cè)面開挖長(zhǎng)40米，寬、高各為6米的空間。相比與國(guó)外其他“脫胎”于礦井的地下實(shí)驗(yàn)室，這里的交通更為便利，不用坐電梯上下，直接搭乘汽車就能到達(dá)，而且在隧洞基礎(chǔ)上修建，節(jié)省了大量的資金、設(shè)備等的投入，也讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的初期投入得到了合理的控制。

　　當(dāng)然，“省事”并不代表效果不好，隧道上方為厚達(dá)2400米的山體巖石，使得這個(gè)極深實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有天然的優(yōu)勢(shì)，與國(guó)外動(dòng)輒數(shù)億建設(shè)經(jīng)費(fèi)的地下實(shí)驗(yàn)室相比，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可以說是花小錢辦大事的典型了。

　　（地下實(shí)驗(yàn)室一期建立在隧道的一側(cè)）

　　目前在建的二期工程就是打算在一期4000立方米的基礎(chǔ)上擴(kuò)容到12萬立方米。二期所在的位置，在實(shí)驗(yàn)室一期往里500米，由4條子隧道構(gòu)成。二期的整體目標(biāo)是朝著“更黑”而去（外界影響輻射本底值更低），所以，即使是修建實(shí)驗(yàn)室用的水泥，其輻射量都要事前用伽馬譜儀進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)定，使其限定在一定范圍值以內(nèi)。

　　二期工程完工以后，新的儀器平臺(tái)也將投入使用，比如中國(guó)自主研制的高純鍺探測(cè)器，該系統(tǒng)將展開噸量級(jí)的高純鍺陣列探測(cè)器暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，有望在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上將探測(cè)靈敏度進(jìn)一步提升兩個(gè)量級(jí)。而這一探測(cè)器陣列需要在液氮環(huán)境下工作，儲(chǔ)存液氮的液氮罐就在二期一個(gè)6層樓深的“基坑”里。

　?。ǖ叵聦?shí)驗(yàn)室一、二期示意圖）

　　錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的二期工程包括4組共8個(gè)實(shí)驗(yàn)室及其輔助設(shè)施，能夠容納更多的深地科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目同時(shí)開展。而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是面向世界開放的，對(duì)歐美的相關(guān)研究人員而言，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室就是開展此類研究的天堂，有一些美國(guó)物理學(xué)家甚至表示打算留在那里工作。

　　二期工程的完工和投入使用，將使得中國(guó)極深實(shí)驗(yàn)室的研究能力提升一個(gè)臺(tái)階，對(duì)暗物質(zhì)等前沿科學(xué)問題的研究也會(huì)有新的飛躍。

　　結(jié)語

　　錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的建造代表了中國(guó)世界級(jí)潔凈低輻射平臺(tái)的水平，標(biāo)志著中國(guó)在粒子物理等先進(jìn)學(xué)科領(lǐng)域取得的領(lǐng)先地位, 對(duì)于中國(guó)自主研究重大基礎(chǔ)前沿課題有著重大意義。

　　我們相信，隨著二期完工和投入使用，中國(guó)科學(xué)家將更加接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣，并有望給出“暗物質(zhì)是什么”這個(gè)世界前沿科學(xué)問題的答案。