川報觀察記者 李欣憶發自涼山州木裏縣


       7月20日,“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”啟動儀式在錦屏山隧道舉行。這標誌著由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司共同建設的中國首個、世界最深的極深地下實驗室,正式啟動國家重大科技基礎設施項目建設。

近年來我國啟動建設的國家重大科技基礎設施項目,主要有中國天眼、中國人造小太陽、正負電子對撞機等。

什麽是暗物質?

       進入17.5公裏長的錦屏山隧道,就像進入了一個洞穴迷宮。穿過一個又一個洞穴,在隧道中央,錦屏地下實驗室到了。實驗室雖然不大,卻深埋地下2400米,相當於7個四川電視塔的高度。

       這個地下實驗室目前主要開展的是暗物質研究。什麽是暗物質?人們對它的認識大多來自科幻作品,電影《變形金剛》中,機器人禁閉用暗物質作為燃料駕駛飛船在宇宙中穿梭。在世界物理學領域,暗物質一直是個謎,由於抓取難度大,據說每年3000萬次抓取事件,和暗物質有關的不到1次,到目前為止,世界上也沒有人真正捕捉到它。

       暗物質在宇宙中無處不在,隻不過看不到。我們能看到的普通物質在整個宇宙中隻占不到5%。剩下95%的都看不到,科學家們稱為暗物質和暗能量。這裏所說的“看不見”,不單說用我們的肉眼看不見,而是不論探測什麽波段的電磁波,比如無線電、紅外線、紫外線、X射線等,都看不到它。

       人類關於暗物質的研究可以追溯到80多年前,那時的天文學家意識到,星係中恒星的運動速度實在是太快了,如果不是因為什麽神秘的力量抓住了它,它們很有可能飛出去。然而到目前為止,仍然沒有任何人知道這股神秘的力量是什麽。國際的研究從未停止,但是目前成果很小。

怎麽尋找暗物質?

       發現並研究暗物質,可能引發物理學的革命。目前,暗物質探測方法大體分為“上天”“入地”和“人造暗物質”三種。

       錦屏地下實驗室探測暗物質的方法屬於“入地”。錦屏地下實驗室隱藏在3000米高的山體下,巨大的岩層成為宇宙線的天然屏障,宇宙線通量為地麵宇宙線通量水平的億分之一,可以屏蔽大量的宇宙線粒子。

        由於暗物質的聲音實在太小,探測難度極大。這就好像在人聲鼎沸的體育場裏麵看比賽,還要聽清一根幾毫米細的針掉落的聲音。因此要想探測它,需要把周圍的幹擾物質去掉。這些幹擾物質包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。

       進入錦屏地下實驗室,穿過幾道鋁合金門之後,一個神秘的空間展現眼前。清華大學工程物理係研究員嶽騫介紹,為了去掉幹擾物質,這個神秘空間設置了重重防護盔甲。第一層是天然岩石屏障;第二層是50厘米厚的混凝土;第三層是1米厚的聚乙烯,用於屏蔽中子;第四層為20厘米厚的鉛房子,用於屏蔽伽馬射線;第五層20厘米厚的含硼聚乙烯,用於吸收熱中子;第六層為10厘米厚的銅房子,用於屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。

       在重重保護的最裏麵,放置的就是暗物質探測器。“暗物質探測器的工作原理簡單來說就是‘守株待兔’。”實驗室研究人員景明坤說,探測器可以記錄下所有與它產生碰撞的信號,如果有與普通物質不同的信號,那麽就有可能是暗物質。“我們正在等待一次可以載入史冊的碰撞。”

升級之後有何變化?

       2010年,錦屏地下實驗室投入使用,兩個中國科學家牽頭的實驗組進駐,分別是清華大學主導的CDEX實驗、上海交通大學牽頭組織的PandaX實驗。經過這些年的研究,取得了一係列研究成果,在較短的時間內使我國暗物質直接探測實驗從無到有,研究水平達到國際先進,由“跟跑”變成“並跑”。

       2014年,中國錦屏地下實驗室啟動二期擴建工程,地下可用實驗空間由之前的4000立方米增加到30萬立方米。今日正式啟動國家重大科技基礎設施項目建設,意味著從校企合作轉變為國家平台,將為我國粒子物理和核物理領域的重大基礎前沿物理問題研究提供平台支撐。

       以清華大學來說,目前放置的暗物質探測器為10公斤量級的高純鍺陣列,二期投運之後,將采用1噸量級的高純鍺陣列,是目前的1000倍。“這將極大加速發現暗物質的時間,縮小發現暗物質的範圍。”實驗室研究人員說。

       不光是實驗室麵積的擴大,還將實現研究範圍的提升。二期項目將提供一個近零宇宙線本底的地下輻射計量平台,為我國建設完善的輻射計量基準提供實施條件,推動海洋科學、材料科學、環境科學、生物學等交叉領域的研究,為這些學科領域提供一個國際一流的交叉創新平台。

      錦屏地下實驗室項目相關負責人表示,項目建設完成後將具備國際領先的深地物理實驗綜合條件,有望成為世界深地物理實驗的中心,推動我國開展國際級大科學合作,吸引國內外頂尖學者前往開展前沿物理實驗,為取得重大物理突破提供基礎設施保障。

錦屏地下實驗室時間線

      2009年5月,清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽訂戰略合作協議,啟動錦屏地下實驗室建設。

      2010年12月,錦屏地下實驗室正式投入使用,標誌著我國首個、世界最深的極深地下實驗室正式建成。

      2014年8月,清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽訂協議,決定共同建設錦屏地下實驗室(二期)項目。

      2014年11月,錦屏地下實驗室(二期)項目正式開工。

      2017年12月,錦屏地下實驗室(二期)項目完成地下岩土工程。

      2018年12月,國家發展改革委正式批複國家重大科技基礎設施“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”可行性研究報告。

      2019年7月,錦屏地下實驗室啟動國家重大科技基礎設施建設