深冬的四川省涼山彝族自治州，寒風(fēng)越過(guò)巍峨的錦屏山，吹打在雅礱江兩岸。在錦屏山地下2400米處，一座牽引科技創(chuàng )新的大科學(xué)裝置將助力科學(xué)家們去探尋宇宙“微光”。
12月7日，來(lái)自清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校和科研院所的10個(gè)實(shí)驗項目組，入駐中國錦屏地下實(shí)驗室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗設施（簡(jiǎn)稱(chēng)“錦屏大設施”）。這標志著(zhù)世界最深、最大、最“純凈”的極深地下實(shí)驗室正式投入科學(xué)運行。
進(jìn)軍“深地” 仰望宇宙
“天高地迥，覺(jué)宇宙之無(wú)窮”，從古至今每每談及宇宙，人類(lèi)都充滿(mǎn)好奇和向往。
在浩瀚宇宙中，小到一粒塵埃，大到山川湖海、日月星辰，都是可見(jiàn)的物質(zhì)。暗物質(zhì)探測是這些年來(lái)科學(xué)領(lǐng)域的前沿研究。
20世紀30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基通過(guò)大量天文學(xué)觀(guān)測和推導，首次提出暗物質(zhì)的猜想。所謂暗物質(zhì)是指人類(lèi)肉眼看不到，且使用天文望遠鏡和電磁學(xué)手段觀(guān)測都無(wú)法捕捉到的物質(zhì)。
“暗物質(zhì)研究是人類(lèi)認識和了解宇宙的新出發(fā)點(diǎn)。”清華大學(xué)工程物理系教授、CDEX暗物質(zhì)實(shí)驗負責人岳騫告訴記者。
然而，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)發(fā)生作用的幾率極低，再加上無(wú)處不在的宇宙射線(xiàn)干擾，直接探測到它十分困難。“難度就像在嘈雜的足球賽場(chǎng)尋找一根針掉落的聲音（暗物質(zhì)碰撞信號）。”國投雅礱江公司錦屏地下實(shí)驗室管理局局長(cháng)李名川說(shuō)。因此，一座能阻擋宇宙射線(xiàn)、實(shí)驗環(huán)境輻射本底低的“純凈”實(shí)驗室，成為探測暗物質(zhì)的必要條件。
早在2002年，清華大學(xué)就啟動(dòng)了暗物質(zhì)研究。由于當時(shí)國內沒(méi)有實(shí)驗條件，研究團隊只能遠赴韓國借用實(shí)驗室進(jìn)行實(shí)驗。
2008年8月，清華大學(xué)科研人員偶然看到“錦屏水電站兩條埋深2400米的隧道貫通”的新聞，認為該隧道是絕佳的探測暗物質(zhì)實(shí)驗場(chǎng)所，便與雅礱江公司取得聯(lián)系，希望利用錦屏山隧道共建我國第一座地下實(shí)驗室。雙方一拍即合。
這是雅礱江畔，中國錦屏地下實(shí)驗室所在的錦屏山隧道口（11月8日攝，無(wú)人機照片）。新華社記者 胥冰潔 攝
2010年12月，錦屏地下實(shí)驗室一期建成投運，填補了我國深地實(shí)驗室的空白。這座4000立方米的實(shí)驗室上方被2400米厚的大理巖覆蓋，室內宇宙射線(xiàn)通量?jì)H為地表的一億分之一。“純凈”的實(shí)驗環(huán)境、便捷的交通、完備的基礎設施，為首批入駐的清華大學(xué)CDEX實(shí)驗組和上海交通大學(xué)PandaX實(shí)驗組開(kāi)展暗物質(zhì)探測提供了夢(mèng)寐以求的絕佳實(shí)驗條件。
隨著(zhù)實(shí)驗室一期突破性成果不斷涌現，科研團隊對實(shí)驗空間的需求越來(lái)越大。2020年，可用空間達33萬(wàn)立方米的實(shí)驗室二期項目開(kāi)工建設，并于2021年作為國家重大科技基礎設施被列入國家“十四五”規劃。
歷經(jīng)3年建設，如今的錦屏大設施已成為一個(gè)涵蓋粒子物理、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(kāi)放共享實(shí)驗平臺，有望在暗物質(zhì)、中微子等物理研究前沿領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
扎根“地心” 突破極限
錦屏地下實(shí)驗室上方是綿延百里的錦屏山，奔騰的雅礱江在此被山體阻擋，形成一個(gè)巨大的“幾”字彎。深地條件對科學(xué)研究是優(yōu)勢，對工程施工卻是難啃的“硬骨頭”。
沒(méi)有任何經(jīng)驗可借鑒，錦屏地下實(shí)驗室一、二期建設都是“摸著(zhù)石頭過(guò)河”。錦屏山隧道是世界上埋深最深的隧道之一，建設過(guò)程中多次遭遇高壓大流量突涌水和巖爆，安全施工難度極大。經(jīng)過(guò)多輪科學(xué)論證和技術(shù)攻關(guān)，建設者最終解決了諸多難題，并在原有交通隧道基礎上先后擴挖建成了一、二期實(shí)驗室。
11月7日拍攝的中國錦屏地下實(shí)驗室一期實(shí)驗室。新華社記者 胥冰潔 攝
值得一提的是，實(shí)驗室二期建設不僅極大拓展了實(shí)驗空間，還兼顧工程和科學(xué)雙重屬性，確保極深地下實(shí)驗室最“純凈”。
如何做到最“純凈”？建設者將實(shí)驗室建設標準細分為四個(gè)指標：極低氡氣濃度、極低環(huán)境輻射、超低宇宙線(xiàn)通量、超潔凈空間，開(kāi)創(chuàng )性地實(shí)施了多項創(chuàng )新工法。以防水抑氡技術(shù)為例，因巖體不斷釋放的氡氣會(huì )極大干擾深地實(shí)驗，團隊在11萬(wàn)平方米的洞室表面“涂”上10層、總厚度僅10厘米的特殊材料予以設防，“好比在洞室表面鋪一層薄薄的雞蛋殼”。工程完成后，經(jīng)實(shí)測圍巖釋放的氡氣含量99%被隔絕在實(shí)驗空間外。
位于中國錦屏地下實(shí)驗室二期的中國暗物質(zhì)實(shí)驗CDEX-1T大型液氮恒溫器（2020年攝，資料照片）。新華社發(fā)（國投集團雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司供圖）
二期建設時(shí)期，錦屏大設施141項主要設備和建材的選用有極為嚴苛的標準。為盡可能滿(mǎn)足科研要求，建設團隊帶上圖冊，到全國各地聯(lián)系了數十家廠(chǎng)商尋求支持。“當時(shí)很多廠(chǎng)商反映‘工地遠、用量小、產(chǎn)值低’，再加上輻射本底控制等聞所未聞的特殊要求，讓人望而卻步。”錦屏地下實(shí)驗室管理局工程技術(shù)部主任工程師李宏璧說(shuō)。
中國錦屏地下實(shí)驗室二期11萬(wàn)平方米的洞室表面均涂上了防水抑氡層，實(shí)驗室內的空調管道均采用特殊材料，以控制輻射本底（11月7日攝）。新華社記者 胥冰潔 攝
“好在一些充滿(mǎn)情懷的廠(chǎng)家愿意和我們共克技術(shù)難題。”李宏璧介紹，為尋找低本底砂石骨料，中建三局錦屏大設施Ⅱ標項目經(jīng)理王偉牽頭組建項目物資保障攻堅小組，走訪(fǎng)調研、地質(zhì)勘查8個(gè)省份，最終篩選出一家穩定供應商。
9月19日，工作人員在中國錦屏地下實(shí)驗室二期內作業(yè)。新華社記者 薛晨 攝
不少參與建設和科研的工作者將過(guò)去幾年形容為“螺螄殼里做道場(chǎng)、毛坯房里做實(shí)驗”。有的工人因為在陰暗潮濕的地下環(huán)境施工，患上風(fēng)濕性關(guān)節炎；有的因為在地下工作，體內缺乏維生素D……但這些困難都沒(méi)有難倒參建錦屏大設施的建設者們，他們不斷攻堅克難。
穿越“逆境” 抵達繁星
暗物質(zhì)和暗能量被科學(xué)家們比作“籠罩在21世紀物理學(xué)天空中的兩朵烏云”。為了不知何時(shí)才能閃現的一道“微光”，我國科學(xué)家從未停下探尋的腳步。
探測暗物質(zhì)是國際競爭性項目，各國都在發(fā)力，時(shí)不我待。錦屏大設施建設正酣時(shí)，上海交大、中國原子能科學(xué)研究院等科研團隊同步在施工現場(chǎng)的“裸洞”里潛心實(shí)驗。“現階段液氙探測暗物質(zhì)在國際上競爭激烈，我們要分秒必爭。”PandaX團隊的李帥杰說(shuō)。
埋頭苦干換來(lái)豐碩成果。十多年間，我國科學(xué)家在《自然》等權威學(xué)術(shù)期刊累計發(fā)表論文120多篇，一項成果獲2022年度教育部自然科學(xué)一等獎，6人獲得國家杰出青年基金。
2021年初，中國原子能科學(xué)研究院在3個(gè)多月時(shí)間內，完成錦屏深地核天體物理實(shí)驗，研究成果在2021年中國科學(xué)院第二十次院士大會(huì )上，被列為“戰略高技術(shù)領(lǐng)域取得新跨越”成果之一。我國也因此成為世界上第三個(gè)具備開(kāi)展深地核天體物理研究的國家。
“不管最終能否找到暗物質(zhì)，我們現在踏出的每一步都是在探索未知邊界，每往前走一小步都是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”上海交通大學(xué)教授、PandaX實(shí)驗發(fā)言人劉江來(lái)說(shuō)。
位于中國錦屏地下實(shí)驗室二期的粒子和天體物理氙探測實(shí)驗PandaX-4T實(shí)驗裝置（資料照片）。新華社發(fā)（國投集團雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司供圖）
清華大學(xué)CDEX實(shí)驗組邊實(shí)驗邊創(chuàng )新，完成了高純鍺探測器的更新迭代，并在籌建噸級探測器；上海交大PandaX實(shí)驗組液氙探測器也實(shí)現了更新升級，未來(lái)計劃建設30噸級甚至更大的探測器。
“中國已經(jīng)在向科學(xué)大國邁進(jìn)，基礎研究投入持續增加，對科研工作者來(lái)講是幸運的。”錦屏大設施工程指揮部副總指揮、清華大學(xué)工程物理系教授李元景感嘆道。
“追光”之路，注定道阻且長(cháng)。作為國之重器，錦屏大設施會(huì )承載更多深地實(shí)驗。一批批科研工作者將以此為起點(diǎn)，去擁抱浩瀚星海，為人類(lèi)未來(lái)打開(kāi)更加廣袤的空間。
