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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，形成了長達150公里的U形大河灣，大河灣東西兩端建起了錦屏一、二級電站，為此又開鑿了連接兩座電站的錦屏山交通隧道。在這條隧道的基礎上，中國建立了首個極深地下實驗室，垂直巖石覆蓋達2400米，是國際上巖石覆蓋最深的地下實驗室。

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

　　下面就讓我們介紹一下這個“神秘”的實驗室——錦屏極深地下暗物質(zhì)實驗室。

　?。ㄥ\屏極深地下暗物質(zhì)實驗室是世界上巖石覆蓋最深的實驗室）

　　（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)的真實寶石。在《雷神2》中，黑暗精靈就運用了這顆寶石，還差點毀滅了宇宙。

　　那么，暗物質(zhì)真有這么可怕嗎？它為什么會發(fā)“暗”？

　　生活中，人們能看得見各種物質(zhì)，是因為這些物質(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)生了電磁場的相互作用。

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

　　然而就是這樣的東西，卻被科學家認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)有的科學理論模型中，科學家能解釋的普通物質(zhì)只有不到5％，而從未探測到的暗物質(zhì)與暗能量占宇宙構(gòu)成的95%。所以，暗物質(zhì)與暗能量對完善現(xiàn)有的基礎物理學有重要意義。

　　暗物質(zhì)與暗能量被認為是本世紀物理學上的兩朵“烏云”。要知道，上個世紀物理學出現(xiàn)的兩朵烏云，導致了相對論和量子力學的誕生，影響至今。所以“什么是暗物質(zhì)”一直被列為在21世紀必須要解答的首要科學問題。

　　暗物質(zhì)雖然距離人類生活還比較遙遠，研究的價值和意義短期內(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的又一次革命。

　　（暗物質(zhì)和暗能量占據(jù)了宇宙的大部分）

　　（二）錦屏地下實驗室：世界上最“干凈”的地下實驗室

　　目前物理學家普遍認為，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，想要直接探測到暗物質(zhì)是很困難的。

　　為了直接探測到暗物質(zhì)，科學家設計了巧妙的實驗，讓原子核與暗物質(zhì)發(fā)生碰撞，通過探測碰撞產(chǎn)生的信號，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，這些都嚴重干擾了暗物質(zhì)的探測，使得碰撞產(chǎn)生的信號很難有效地被鑒別。

　　而處于極低輻射環(huán)境的極深地下實驗室，能最大程度地屏蔽宇宙射線等的影響，讓探測器探測到有效的信號，是開展暗物質(zhì)探測的重要研究場所。

　　（中國首個極深地下實驗室）

　　地下實驗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。

　　錦屏地下實驗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。而且實驗室垂直巖石覆蓋厚度達2400多米，能夠屏蔽絕大多數(shù)的宇宙射線。

　　所以，該實驗室的宇宙射線通量，遠遠少于加拿大巖石覆蓋厚度2000米的斯諾實驗室，大約相當于地面水平的億分之一，可以說這里是世界上最“干凈”的地下實驗室。

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　　所謂最“干凈”，是指錦屏地下實驗室輻射最少、雜質(zhì)最少。為了這個地下實驗室更 “干凈”，實驗室外層還增加了特殊的防護：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)過這些防護后，可以說，錦屏地下實驗室已經(jīng)屏蔽掉了目前能想到的一切輻射源。

　　正是這樣的防護水平，加上得天獨厚的地下實驗條件，讓中國科學家獲得了許多關于暗物質(zhì)研究的寶貴數(shù)據(jù)，使得中國對于低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測靈敏度第一次達到了國際一流水平，確立了中國在國際暗物質(zhì)探測領域內(nèi)第一陣營的地位，極大地提升了中國在暗物質(zhì)研究領域的研究水平和國際影響力。

　　（三）地下實驗室是怎么“捕捉”暗物質(zhì)的？

　　一般來說，暗物質(zhì)探測主要有3種方法，除了直接探測，還有間接探測和加速器實驗。

　　間接探測就是探測暗物質(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，這一類探測通常是在高空或者太空進行的，如中國2015年年底發(fā)射的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”號。

　　加速器實驗則是利用加速器將標準模型粒子加速到高能量后對撞，通過測量對撞丟失的能量來反推暗物質(zhì)的各種性質(zhì)。

　　（2015年中國就發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”號，是目前尋找暗物質(zhì)的另外一種方法）

　　目前，中國錦屏地下實驗室有兩個暗物質(zhì)實驗項目組，一個是清華大學領導的CDEX（中國暗物質(zhì)實驗）高純鍺暗物質(zhì)實驗，一個是上海交通大學領導的PandaX（熊貓計劃）液氙暗物質(zhì)實驗項目。這兩個項目組采用的都是直接探測的方法，就是測量暗物質(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，清華大學項目組的核心裝置高純鍺探測器是世界上首個公斤量級點電極高純鍺探測器，可在質(zhì)量小于10GeV的暗物質(zhì)研究熱點能區(qū)開展輕質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)探測研究。2014年，CDEX實驗組獲得了在10GeV以下能區(qū)里同類探測器最靈敏的實驗結(jié)果，排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域。

　　而上海交通大學項目組采用液氙技術，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，其作用是探測微弱的相互作用粒子，當暗物質(zhì)跟氙原子發(fā)生碰撞時，氙原子就會發(fā)光，同時也會產(chǎn)生自由電子。

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

　　2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物質(zhì)探測器運行的第一個物理結(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，不過探測器對可能的暗物質(zhì)候選對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，像這類前沿的基礎科學問題，主角還只是歐美的科學家，中國科學家想要從事相關研究，只能是到外國去，參與國外的科研項目。而現(xiàn)在，中國已不甘于在這類研究中充當西方研究機構(gòu)的配角，正準備以大膽的步伐顛覆粒子物理研究領域的格局。

　　（四）從一期到二期工程：越來越“黑”，也擁有更多的黑科技

　　在錦屏地下實驗室之前，中國并沒有自己的地下實驗室。在錦屏上設立中國第一個極深地下實驗室，可以說是借了錦屏山隧道工程的光。

　　實驗室所在的錦屏山隧洞工程總共包括兩條交通隧洞、4條長度相當?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年實現(xiàn)雙洞貫通（長17.5公里），隧洞的埋深大于1500米的洞段占隧道總長的73.1%，最大埋深將近2400米，是中國第一、世界第二埋深的交通隧道，可以說是中國在洶涌的雅礱江上創(chuàng)造的工程奇跡。

　　錦屏地下實驗室一期就是利用了這條交通隧道，在其側(cè)面開挖長40米，寬、高各為6米的空間。相比與國外其他“脫胎”于礦井的地下實驗室，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，而且在隧洞基礎上修建，節(jié)省了大量的資金、設備等的投入，也讓這個實驗室的初期投入得到了合理的控制。

　　當然，“省事”并不代表效果不好，隧道上方為厚達2400米的山體巖石，使得這個極深實驗室的實驗環(huán)境具有天然的優(yōu)勢，與國外動輒數(shù)億建設經(jīng)費的地下實驗室相比，錦屏地下實驗室可以說是花小錢辦大事的典型了。

　　（地下實驗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立方米的基礎上擴容到12萬立方米。二期所在的位置，在實驗室一期往里500米，由4條子隧道構(gòu)成。二期的整體目標是朝著“更黑”而去（外界影響輻射本底值更低），所以，即使是修建實驗室用的水泥，其輻射量都要事前用伽馬譜儀進行嚴格測定，使其限定在一定范圍值以內(nèi)。

　　二期工程完工以后，新的儀器平臺也將投入使用，比如中國自主研制的高純鍺探測器，該系統(tǒng)將展開噸量級的高純鍺陣列探測器暗物質(zhì)實驗，有望在現(xiàn)有的基礎上將探測靈敏度進一步提升兩個量級。而這一探測器陣列需要在液氮環(huán)境下工作，儲存液氮的液氮罐就在二期一個6層樓深的“基坑”里。

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　　錦屏地下實驗室的二期工程包括4組共8個實驗室及其輔助設施，能夠容納更多的深地科學領域?qū)嶒烅椖客瑫r開展。而且這個實驗室是面向世界開放的，對歐美的相關研究人員而言，這個實驗室就是開展此類研究的天堂，有一些美國物理學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，將使得中國極深實驗室的研究能力提升一個臺階，對暗物質(zhì)等前沿科學問題的研究也會有新的飛躍。

　　結(jié)語

　　錦屏極深地下暗物質(zhì)實驗室的建造代表了中國世界級潔凈低輻射平臺的水平，標志著中國在粒子物理等先進學科領域取得的領先地位, 對于中國自主研究重大基礎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，中國科學家將更加接近發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的邊緣，并有望給出“暗物質(zhì)是什么”這個世界前沿科學問題的答案。