探訪中國錦屏地下實驗室 探測暗物質

　　◎ 宇宙密度的95％以上是尚不為人們所了解的暗物質和暗能量。

　　◎ 中國錦屏地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室，垂直巖石覆蓋達2400米。探測暗物質是這個實驗室的重要使命。

　　◎ 錦屏地下實驗室二期工程土建工作將于明年底完工，30倍于目前實驗室面積的實驗室群將成型。這里將不僅是探測暗物質的主戰場。

       11月底，乘車從涼山西昌一路向北，在冕寧縣漫水灣駛入錦屏水電站專用公路，溯流而上，河灘峽谷，山擠著山，兩個小時后，車輛一頭扎進全長17.5公里、開車通行需要半個小時的錦屏山隧道，我們此行的目的地、國內首個極深實驗室錦屏地下實驗室快到了。一項將帶來未來新科學革命的研究在這個實驗室開展。

　　原子、分子、等離子體……這些人類熟知的重子物質只占宇宙總密度的4％或5％，宇宙密度的95％以上是尚不為人們所了解的暗物質和暗能量。探測暗物質正是這個實驗室的重要使命。

　　這里的實驗有多神秘？科學家是怎樣工作生活的？本報記者走進錦屏地下實驗室，帶你“零距離”感受。

　　3個“萬萬沒想到”

　　萬萬沒想到，這樣一個被世界物理學家視為“天堂”的實驗室看起來竟如此簡單。

　　要進入目前世界上最深的地下實驗室，我們滿以為會像科幻電影中一樣，穿過警衛森嚴的大門，坐著極速電梯一路下行2400米才能到達核心區。但萬萬沒想到，進隧道行駛了10分鐘左右，車子就在一個大門口停了下來，除了門口的密碼鎖這大門也再普通不過了。“到了。”司機說。

　　原來，錦屏地下實驗室就藏身于錦屏山腹部的隧道中部，垂直巖石覆蓋達2400米只是它所承受的錦屏山的高度。

　　國際上的地下實驗室分兩種，一種是利用廢棄的礦井，另一種是利用隧道。隧道比礦井交通便捷性好，開車可直達，但找到合適的隧道并不容易，如果隧道比較短，就必須考慮從山側穿入的宇宙線。所幸的是，錦屏地下實驗室利用的長度17.5公里、穿越錦屏山的隧道是世界第二深埋隧道，再加上錦屏地下實驗室周圍的巖石純度非常高，在這里，高能量的宇宙線被盡可能屏蔽，為暗物質探索提供了“干凈”的環境。

　　第二個“萬萬沒想到”，是這樣一個被世界物理學家視為“天堂”的實驗室看起來竟如此簡單。

　　錦屏地下實驗室呈“T”形結構，進門首先是一塊上海交大和清華大學的公共區域，與這一區域垂直的是一個狹長的走廊，走廊中，上海交大的暗物質直接探測器材擺在中間，再向里走，穿過一道門，就到了清華大學暗物質實驗室，4000立方米的實驗室空間，看上去也就相當于3個大房間。

　　記者睜大了眼睛，來回走了幾圈，只看到一些大大小小像氧氣罐一樣的容器、像磚塊一樣的設備和儀器，看上去一點都不“科幻”。“最近有的設備停下來了在做升級，里面顯得有點亂，不過你趕上也算幸運，一般我們實驗室都不讓人打擾呢。”隨行的清華大學課題組工作人員覃建強說。

　　最后一個“萬萬沒想到”，是錦屏地下實驗室里暗藏的“玄機”。

　　清華暗物質實驗室是雙層結構，科學家們在底下一層做研究，第二層放設備。突然，就像芝麻開門一樣，墻壁上彈出一個門，有人從門里走出來。原來，這最里面還有第三道門，里面藏的“寶貝”就是清華的暗物質探測儀器。“這個門可是1米厚的聚乙烯材料，用于阻攔和吸引中子。”覃建強邊走邊介紹，20厘米厚的鉛層，用于屏蔽外部的伽馬射線；20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收剩余的中子；10厘米厚的高純無氧銅，用于阻擋鉛材料及外部其他材料中的伽馬射線，這些屏蔽設備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。在最里面的低溫液氮環境中躺著的是直接探測暗物質的1公斤高純度鍺實驗探測器，“千足金只有99.9%的含量，即三個‘9’，但高純度鍺則達到12個‘9’以上的純度。”

　　3個“地下工作者”

　　不僅要干數據采集和分析的“細活兒”，也要干各種搬運重物的“粗活兒”，3個人都是“全能型人才”。

　　目前，守衛探測器的是兩位清華博士生，略顯稚氣的臉龐讓人想不到他們都已經博士三年級和四年級了。

　　1990年出生的楊麗桃是河北石家莊人，從四川大學本科畢業后進入清華碩博連讀，2012年開始，楊麗桃就陸續在錦屏地下實驗室工作。略顯靦腆的他說起眼前的探測器話就多了起來，“做研究就要耐得住寂寞，在5-10年內想探測到暗物質會很難很難，我們做的是盡可能在實驗上排除掉暗物質不可能存在的區域，在理論上進行不斷地修正，為后來的研究者打好基礎。”來自安徽六安的羅志飛比楊麗桃大兩歲，也是楊麗桃的師兄，從小立志要做追求宇宙奧秘的科學家。

　　二人所在的“戰斗三人組”還有一名成員覃建強。地道的四川人，從成都理工大學畢業后就加入了清華團隊，提供管理和生活協助。

　　對他們3人來說，不僅要干專業性很強的數據采集和分析的“細活兒”，也要和中鐵21局的工人師傅一起，干各種搬運重物、清洗屏蔽組件的“粗活兒”。他們自己開玩笑說，都是“全能型人才”。

　　錦屏地下實驗室四季恒溫，不需要空調，實現了光纖、網絡全覆蓋。但與地面實驗室不同的是，沒有窗戶，別說刮風下雨絲毫感覺不到，進去久了還容易搞不清外界是白天還是黑夜。“地下工作”時間久了，會不會不適？“地下實驗室的通風設備很好，絲毫不會感到氣悶，人在下面呆個半天，不會有任何異樣的感覺。”覃建強介紹，一旦儀器運行穩定后，科研人員只需在地面上的辦公室監控探測器運行即可，而地下實驗室的所有數據也會傳送至地面甚至還可以傳回清華，科研人員無需24小時“守”著探測器。

　　30倍大的“實驗室群”

　　到明年底，錦屏地下實驗室二期工程土建工作將完工，30倍于目前實驗室面積的實驗室群將成型。

　　隨著歷時10年建設的錦屏水電站全面投產，曾經機器轟鳴、萬人勞作的建設場面不見了，雅礱江水安靜流淌，只有從錦屏山隧道里偶爾出來的卡車，暗示著這里還有唯一的建設現場——錦屏地下實驗室二期工程。

　　2009年，當清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司啟動中國錦屏地下實驗室建設時，錦屏地下實驗室主任、清華大學教授程建平并沒想到，這個實驗室會在5年后迎來二期建設的啟動。“當時我們基于開展暗物質研究的需要來建設，至于更大規模、能夠容納更多領域重大基礎前沿課題研究的實驗室建設，我們當時并沒有想過。”程建平坦言。

　　錦屏地下實驗室目前容納了上海交大、清華兩個實驗組，分別使用液氙探測器開展暗物質的直接探測和采用低溫半導體開展探測。4年來，清華大學發表了3篇暗物質靈敏度實驗結果，今年11月11日發表的最新論文更是進一步縮小暗物質存在區域，同時推翻了美國CoGeNT暗物質實驗組近年來宣稱“已經探測到暗物質存在區域”的結論；上海交大則發表了Panda　X實驗得到的首個物理結果。

　　清華和上海交大都在準備更新換代探測設備。清華從1公斤高純鍺探測器向10公斤邁進，上海交大計劃將120公斤的液態氙向500公斤級的探測器升級。而目前，世界上運行中最大的該類型探測器是美國的250公斤級LUX探測器。

　　在參與CDEX研究的清華大學工程物理系副教授岳騫看來，錦屏地下實驗室不僅可以探測暗物質，還可以開展地下核天體物理實驗、太陽中微子等重大基礎性前沿課題。“深地實驗物理內容豐富，我國又有錦屏地下實驗室這樣得天獨厚的深地實驗條件，希望更多的人投身其中。”

　　今年8月，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署共同建設中國錦屏地下實驗室二期的合作協議，到明年底，錦屏地下實驗室二期工程土建工作將完工，30倍于目前實驗室面積的實驗室群將會成型。不遠的將來，這里不僅是探測暗物質的主戰場，更多深地科學領域實驗項目的開展，將使這里成為世界物理學家心中的圣地。

　　世界最深實驗室“前五”

　　No.1

　　中國錦屏地下實驗室（CJPL） 巖石覆蓋厚度2400米

　　No.2

　　美國杜賽爾(DUSEL)二期地下實驗室（在建）　　　　巖石覆蓋厚度2300米

　　No.3

　　加拿大斯諾(SNO)地下實驗室 巖石覆蓋厚度約2000米

　　No.4

　　法國摩丹(Modane)地下實驗室 巖石覆蓋厚度約1700米

　　No.5

　　意大利格蘭薩索(GranSasso)地下實驗室 巖石覆蓋厚度約1400米

　　（數據參考清華大學工程物理系程建平等人發表的《國際地下實驗室發展綜述》）（記者 劉川 文/圖）