在四川省涼山州木里縣、鹽源縣與冕寧縣交界處，有一條150公里長的雅礱江錦屏大河灣。因巍峨的錦屏山阻擋，雅礱江先北上后奔向東南，落差300多米，蘊藏了極其豐富的水能資源。
如今，在錦屏大河灣兩端，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。連接兩座電站、長17.5公里、最大埋深2525米的錦屏山隧道里，藏著世界最深最大的極深地下實驗室——中國錦屏地下實驗室。
10月，記者實地探訪了這個神秘的地下實驗室。
“戲劇性”往事
從西昌市火車站驅(qū)車一路向北，在冕寧縣漫水灣駛上錦屏水電站專用公路。這里人煙稀少，一路上碧水青山，霧靄籠罩。1個多小時后，車子一頭扎進錦屏山隧道，七拐八繞穿過一個個洞穴后，在隧道中部，記者一行終于抵達(dá)錦屏地下實驗室Ⅰ期。
和想象中不太一樣，這個神秘的“地下堡壘”看上去并不太科幻——靠近大門最外側(cè)的房間，擺放著若干個液氮罐，這是為暗物質(zhì)探測實驗所用。穿過一道大門往里走，是各個研究團隊在此布局的實驗室，擺放著各類儀器。實驗室最里側(cè)，是清華大學(xué)牽頭的中國暗物質(zhì)實驗(CDEX)，在這里，我們碰到了錦屏地下實驗室CDEX項目組實驗員景明坤和清華大學(xué)工程物理系博士生粟鵬文。當(dāng)天，他們正在進行材料本底的檢測工作。
中國暗物質(zhì)實驗(CDEX)是錦屏地下實驗室首批入駐的項目，而清華大學(xué)和錦屏地下實驗室的淵源還要從2008年說起。
采訪時，雅礱江公司錦屏地下實驗室管理局局長李名川給記者聊起了這段“戲劇性”的往事：2008年8月8日，除了舉世矚目的北京奧運會開幕，遠(yuǎn)在祖國西南深處的錦屏山隧道也全線貫通。彼時，中央電視臺播放了這一消息，清華大學(xué)工程物理系的一位老師得知錦屏山隧道巖石覆蓋達(dá)2400米，興奮不已：“這是暗物質(zhì)實驗的絕佳實驗場所。”當(dāng)即，清華大學(xué)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。
埋深，僅僅是建深地實驗室的要素之一。李名川告訴記者，在錦屏地下實驗室Ⅰ期的選址和建設(shè)過程中，清華大學(xué)研究團隊詳細(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僅約為地面的億分之一，“是非常理想的建設(shè)大型地下實驗室的地方”。
錦屏山隧道地質(zhì)條件極為復(fù)雜，在此基礎(chǔ)上擴挖實驗室，難度不言而喻。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，通過科學(xué)論證，依托已開挖的連接錦屏一級、二級水電站的錦屏山隧道，與清華大學(xué)共建中國錦屏地下實驗室。
歷經(jīng)一年半時間建設(shè)，錦屏地下實驗室Ⅰ期于2010年12月正式投入使用。
捕獲“宇宙幽靈”
錦屏地下實驗室Ⅰ期工程實驗空間約4000立方米，主要包括地下實驗室入口隧道、連接隧道和主實驗廳三部分。為何要在如此深的地下進行暗物質(zhì)研究?這要從暗物質(zhì)本身說起。
通俗地講，暗物質(zhì)就是“看不見”的物質(zhì)。這里的“看不見”，不僅僅是指肉眼看不見，還是使用各種探測設(shè)備和電磁學(xué)手段觀測都“看”不見。
那如何判斷它們是否真實存在呢?李名川舉了個例子：地球位于太陽系內(nèi)，繞著太陽轉(zhuǎn);太陽系在銀河系內(nèi)，繞著銀河系中心在轉(zhuǎn)。按照現(xiàn)有的理論，可以推算出太陽系繞銀河系運動的速度是160km/s，可實際上并非如此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這個速度達(dá)到了240km/s。“按照萬有引力定律，實際值比理論值高出這么多，如果沒有額外的引力，太陽系就會飛出銀河系。”但又是什么提供了這種額外的引力呢?答案就是暗物質(zhì)。
目前人類已知的物質(zhì)僅占宇宙總量不到5%，剩余部分由暗物質(zhì)和暗能量組成，其中暗物質(zhì)占比達(dá)26.8%。暗物質(zhì)不參與電磁波的相互作用，與光子的相互作用也很微弱，所以暗物質(zhì)非常暗，幾乎不發(fā)光。迄今為止，暗物質(zhì)也一直是個謎，抓取難度很大，世界上也沒有人真正“捕捉”到它。正因為如此，暗物質(zhì)也被稱為“宇宙幽靈”
李名川說，“在地球表面有大量的宇宙射線會干擾探測暗物質(zhì)”，因此探測的第一步，就是把周圍的干擾物質(zhì)去掉。這些干擾物質(zhì)包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。
值得一提的是，錦屏地下實驗室雖說是一座“地下城”，但它不是真的在地下，而是在錦屏山當(dāng)中，實驗室上方的垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400米。這2400米的巖層可以屏蔽大量的宇宙線粒子，這也是為何說這里是研究暗物質(zhì)的絕佳場所的原因。
穿上重重“盔甲”守株待兔
按下按鈕，一扇由聚乙烯材料制成的鋸齒狀大門緩緩?fù)崎_，一個不算大的空間里，放置著各類儀器，電腦屏幕和各類儀器閃爍著熒光。最為核心的高純鍺探測器，則被包裹在層層“屏障”之下。
“要想探測暗物質(zhì)，就需要為科學(xué)實驗提供最‘純凈’的環(huán)境，2400米的巖層還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”景明坤介紹道，為進一步屏蔽掉宇宙射線，這里還為探測器“穿”上了重重“盔甲”。
除巖層之外，這些“盔甲”還有4層：
第一層，是1米厚的聚乙烯制成的墻體，用以屏蔽中子;第二層，是20厘米厚的鉛塊，用以屏蔽伽馬射線;第三層，是20厘米厚的含硼聚乙烯，用以吸收熱中子;第四層，則是10厘米厚的銅塊，用于屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。
“盔甲”之下，則是在低溫液氮環(huán)境中直接探測暗物質(zhì)的高純鍺探測器。
錦屏地下實驗室主要采用兩種探測手段探測暗物質(zhì)，其中清華大學(xué)牽頭的CDEX項目組采用高純鍺探測器進行探測，上海交通大學(xué)牽頭的PandaX項目組采用液氙探測器進行探測。“高純鍺探測器需要-196℃的工作環(huán)境，因此空間內(nèi)將不斷注入液氮。”景明坤說，高純鍺通過摻雜制成半導(dǎo)體探測器，加上電壓，在其靈敏區(qū)域可以探測來自外界的輻射信號。當(dāng)探測器將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)實驗數(shù)據(jù)中心同步分析數(shù)據(jù)，開展相關(guān)研究。
自2010年錦屏地下實驗室Ⅰ期運行以來，首批進駐的CDEX、PandaX兩個項目組已取得超30項國際領(lǐng)先的暗物質(zhì)研究成果，使中國的暗物質(zhì)研究水平在國際上從“跟跑”“并跑”一躍實現(xiàn)了“領(lǐng)跑”。
值得一提的是，錦屏地下實驗室不僅僅針對暗物質(zhì)進行研究。李名川告訴記者，目前，已有11個科研團隊在錦屏地下實驗室進行深地實驗，除了進行暗物質(zhì)探測研究的CDEX和PandaX項目組，這里還有中國原子能科學(xué)研究院JUNA、四川大學(xué)華西醫(yī)院DeUFO、四川大學(xué)GeoDEX、中科院武漢巖土所等科研團隊，囊括太陽中微子、無中微子雙貝塔衰變、核天體物理研究、深地醫(yī)學(xué)、深地巖石力學(xué)等前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究。
Ⅱ期將全面投入運行
隨著突破性成果不斷涌現(xiàn)，對實驗空間的需求也越來越大。2014年，錦屏地下實驗室正式啟動擴建計劃。
“2024年，錦屏地下實驗室Ⅱ期將全面投入運行，從Ⅰ期到Ⅱ期，錦屏地下實驗室也將由‘自建房’變?yōu)橐粋€‘社區(qū)’。”李名川介紹，Ⅱ期項目將形成4廳8室的整體格局，錦屏地下實驗室的可用空間也將由之前的4000立方米增加到330000立方米，擴大近83倍，是國際上空間最大、埋深最深、宇宙線通量最少、輻射本底最低、綜合條件最好的深地實驗室。
除了量變，Ⅱ期還將迎來質(zhì)的飛躍。李名川表示，在深地環(huán)境條件下，錦屏山巖體能隔絕大部分宇宙輻射，但巖體會釋放放射性氡氣，會對科學(xué)實驗本底造成影響，為此建設(shè)團隊創(chuàng)新性地在巖壁上做了一個10厘米的結(jié)構(gòu)，將整個實驗空間包裹起來，就像給實驗室做了一個“雞蛋殼”。這10厘米的結(jié)構(gòu)由10層材料組成，形成的殼體面積共約11萬平方米，這就是“防水抑氡”工程。
此外，實驗室還通過一系列極深地下極低輻射本底屏蔽裝置來實現(xiàn)更低的輻射本底要求，聚乙烯屏蔽艙建設(shè)就是保障建設(shè)最“純凈”實驗室的關(guān)鍵一環(huán)。據(jù)介紹，該聚乙烯屏蔽艙艙體長51.9米、寬9.78米、高7.9米，厚度均為1米，主要采用厚度為100毫米的高密度聚乙烯板無粘接鋪裝組成，總用量約為1850立方米、重1800多噸，是全球最大的聚乙烯屏蔽艙。
如今，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等國內(nèi)高校研究團隊，依托錦屏地下實驗室向探尋暗物質(zhì)發(fā)起挑戰(zhàn)。“未來，該實驗室將持續(xù)吸引國內(nèi)外頂級科學(xué)團隊入駐，形成暗物質(zhì)、核天體物理、中微子、深地醫(yī)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’。”李名川表示。
冬暖夏涼，光纖、網(wǎng)絡(luò)全覆蓋
作為清華大學(xué)工程物理系助理研究員，楊麗桃從讀博士開始就開始從事暗物質(zhì)探測研究工作。他告訴記者，在錦屏地下實驗室建成之前，深地實驗室僅在發(fā)達(dá)國家有建，清華大學(xué)等國內(nèi)科研院所只能“漂洋過海”租用國外的深地實驗室進行暗物質(zhì)研究。
盡管外人看來，在地處崇山峻嶺中的錦屏地下實驗室做研究非常枯燥，但在楊麗桃眼里，這里就像一個“世外桃源”：“安靜、風(fēng)景好、無人打擾。”
事實上，相比國外的深地實驗室，錦屏地下實驗室條件已相當(dāng)優(yōu)越。楊麗桃說，國際上的深地實驗室一般分為兩類：一類是像錦屏地下實驗室這種隧道型的，一類是礦井。前者有交通隧道，驅(qū)車就可進入。而后者，如果遇到還在挖的礦井，實驗人員往往會和礦工存在交叉施工的問題，不僅進入實驗室要耗費相當(dāng)長的時間，一些大型設(shè)備只能拆解后才能運輸進去。“此外，雅礱江公司給我們提供了非常好的管理保障，在實驗室不遠(yuǎn)的營地里，不止有宿舍、食堂，還有健身房、會議室等。”而且實驗室四季恒溫，冬暖夏涼，且光纖、網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。“這里唯一與地面實驗室不同的是沒有窗戶，感受不到刮風(fēng)下雨，分不清白天黑夜。”
楊麗桃告訴記者，此前，探測暗物質(zhì)的核心裝置——高純鍺探測器長期依賴進口。后來，清華大學(xué)研究團隊研發(fā)出了我國第一臺500克級高純鍺探測器。自此，高純鍺探測器的研發(fā)駛?cè)?ldquo;快車道”，1公斤級、1.5公斤級也陸續(xù)問世。“我們的高純鍺探測器是全球直接觀測暗物質(zhì)靈敏度最高的探測器之一，在尋找暗物質(zhì)這條賽道上，中國是走在最前列的國家之一。”
