尋找暗物質(zhì)的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，在等待一次足以載入史冊(cè)的碰撞。

能不能找到暗物質(zhì)？誰(shuí)也無(wú)法打包票。誰(shuí)也無(wú)法給出一個(gè)確切的時(shí)間表。唯一肯定的是，這件事情一定要做。

科研人員早已發(fā)現(xiàn)，如果僅存在人們已經(jīng)探測(cè)到的物質(zhì)，宇宙根本不應(yīng)該是現(xiàn)在這副模樣，一定有什么別的東西在起作用。暗物質(zhì)，得名于其不發(fā)射任何波段的電磁波，也不與任何電磁波發(fā)生相互作用。它如此沒(méi)有“存在感”，但又如此鮮明地影響著人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知——迄今的研究和分析表明，暗物質(zhì)占據(jù)宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的80％以上。

發(fā)現(xiàn)并研究暗物質(zhì)，可能引發(fā)物理學(xué)的革命。

工程奇跡，成為天賜良機(jī)

暗物質(zhì)粒子每時(shí)每刻都在穿透我們的身體，但人體無(wú)知無(wú)覺(jué)。甚至只有最精密的儀器，才可能捕捉到它與原子核碰撞產(chǎn)生的微弱信號(hào)。

而這些信號(hào)，又散布于宇宙射線與探測(cè)器碰撞產(chǎn)生的大量背景信號(hào)中。它如同一束微光，只有在足夠黑的房子，用上足夠精巧的儀器，將一切推到極限，才可能“看到”。

科研人員為這間足夠黑的房子，找到了一個(gè)絕佳地址。

從涼山西昌乘車(chē)一路向北，經(jīng)過(guò)漫水灣，再駛?cè)脲\屏水電站專(zhuān)用公路。一路上，隧道連著隧道，高山夾著高山。約兩個(gè)小時(shí)后，錦屏山隧道的入口展現(xiàn)眼前。“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”的標(biāo)志，便掛在此處。

中國(guó)水電泰斗、兩院院士潘家錚曾經(jīng)這樣形容錦屏的環(huán)境：“峰如斧劈江邊立，路似繩盤(pán)洞里行。”

雅礱江奔流至木里、鹽源、冕寧三縣交界處，因被錦屏山阻隔，驟然掉頭，拐向東北方，形成長(zhǎng)達(dá)150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級(jí)電站，就選址在大河灣東西兩端。連接兩座電站的錦屏山交通隧道，成為這浩大水利工程的兩條主動(dòng)脈。

它們從錦屏山底部穿過(guò)，最大埋深將近2400米，埋深大于1500米洞段占隧道總長(zhǎng)的73.1％。2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實(shí)現(xiàn)雙洞貫通。當(dāng)時(shí)的報(bào)道稱(chēng)，這是在洶涌的雅礱江上創(chuàng)造了奇跡。

工程奇跡，在科研人員眼中，成為“天賜良機(jī)”。巖層，是宇宙射線的天然屏蔽層。

此前的中國(guó)，并沒(méi)有自己的地下實(shí)驗(yàn)室。“許多相關(guān)研究無(wú)法進(jìn)行，或者只能與國(guó)外有條件的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)展工作。”清華大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任程建平教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

2009年，清華大學(xué)與二灘公司（現(xiàn)雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司）簽訂合作協(xié)議，在錦屏山隧道中間位置修建實(shí)驗(yàn)室。2010年12月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室投入使用，成為我國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，也是全球最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

經(jīng)測(cè)定，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬(wàn)分之一到億分之一，是目前國(guó)際上宇宙射線通量最低的地下實(shí)驗(yàn)室。而且，實(shí)驗(yàn)室周?chē)鷰r石的放射性水平也很低。“可以說(shuō)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室擁有國(guó)際一流的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。”程建平說(shuō)。

目前，國(guó)際上正在運(yùn)行和建設(shè)的地下實(shí)驗(yàn)室有數(shù)十個(gè)，主要分布在發(fā)達(dá)國(guó)家。地下實(shí)驗(yàn)室是開(kāi)展粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域一些重大基礎(chǔ)前沿課題的重要研究場(chǎng)所和良好的低本底環(huán)境。

更凈，更精

車(chē)輛扎入隧道，前行大概20分鐘，就到了錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期門(mén)口。其實(shí)，如果不是老司機(jī)領(lǐng)路，你很難在昏暗的隧道中，發(fā)現(xiàn)這處低調(diào)的存在。

實(shí)驗(yàn)室一期的容積為4000立方米。目前中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)批準(zhǔn)兩個(gè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在其中運(yùn)行，一個(gè)是清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的CDEX（中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)）高純鍺暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是上海交通大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX（熊貓計(jì)劃）液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，穿過(guò)一條狹長(zhǎng)走廊，最先看到的是上海交通大學(xué)主導(dǎo)的“PandaX項(xiàng)目”暗物質(zhì)探測(cè)裝置。他們采用液氙技術(shù)，當(dāng)暗物質(zhì)和氙原子發(fā)生碰撞，氙原子會(huì)發(fā)光，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生自由電子。

再往里走，就進(jìn)入了清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX合作組實(shí)驗(yàn)室。他們用的是高純鍺陣列探測(cè)器，要捕捉的是暗物質(zhì)粒子與鍺晶體碰撞時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)。

兩個(gè)項(xiàng)目組使用的方法，都是直接探測(cè)，即測(cè)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。

其實(shí)，暗物質(zhì)探測(cè)主要有3種方法，除了直接探測(cè)，還有間接探測(cè)和加速器實(shí)驗(yàn)。前者是探測(cè)暗物質(zhì)對(duì)互相碰撞、湮滅時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。我國(guó)2015年年底發(fā)射的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星就正在太空中尋找暗物質(zhì)碰撞留下的痕跡。后者是利用加速器將標(biāo)準(zhǔn)模型粒子加速到高能量后對(duì)撞，通過(guò)測(cè)量對(duì)撞丟失的能量來(lái)反推暗物質(zhì)的各種性質(zhì)。

CDEX合作組的核心裝置高純鍺探測(cè)器，藏在白色聚乙烯伸縮門(mén)后。它是世界上首個(gè)公斤量級(jí)點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器，可在質(zhì)量小于10GeV的暗物質(zhì)研究熱點(diǎn)能區(qū)開(kāi)展輕質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)探測(cè)研究。

探測(cè)器身處重重保護(hù)之下：1米厚的聚乙烯材料，用來(lái)慢化和吸收中子；20厘米厚的鉛層，用來(lái)屏蔽外部伽馬射線；20厘米厚的含硼聚乙烯，目的是吸收熱中子；20厘米的高純無(wú)氧銅，則要屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線……

屏蔽，是要給它一個(gè)極黑的世界，最好不要漏入一絲外來(lái)的光。

運(yùn)行6年，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室取得的成果，已經(jīng)將中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)推向了尋找暗物質(zhì)的前沿：2013年CDEX實(shí)驗(yàn)組在國(guó)際上發(fā)表了中國(guó)第一個(gè)自主暗物質(zhì)研究成果，研究水平達(dá)到國(guó)際第一陣營(yíng)。2014年，CDEX實(shí)驗(yàn)組獲得了在10GeV以下能區(qū)里同類(lèi)探測(cè)器最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定性地排除了美國(guó)CoGeNT實(shí)驗(yàn)組多年來(lái)宣稱(chēng)的暗物質(zhì)存在區(qū)域。2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物質(zhì)探測(cè)器運(yùn)行的第一個(gè)物理結(jié)果公布，在3.3萬(wàn)公斤/天的曝光量下，未發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子蹤跡，對(duì)可能的暗物質(zhì)候選對(duì)象給出了最新的限制。

雖然暗物質(zhì)還沒(méi)有被找到，但它的藏身范圍，已經(jīng)縮小。

別墅將變小區(qū)，實(shí)驗(yàn)室變身大平臺(tái)

CDEX合作組的下一步計(jì)劃，是利用自主研制的高純鍺探測(cè)器，建設(shè)10—100公斤量級(jí)的高純鍺陣列探測(cè)器系統(tǒng)，并最終開(kāi)展噸量級(jí)高純鍺陣列探測(cè)器暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，將探測(cè)靈敏度再提升兩個(gè)量級(jí)。

新的探測(cè)器陣列，將置身液氮罐中；而液氮罐，要被放入一個(gè)6層樓深的“基坑”。大坑已經(jīng)挖好，它所處的位置，在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期。

從實(shí)驗(yàn)室一期出來(lái)，再往里走上500米，就到了實(shí)驗(yàn)室二期。它由4條子隧道構(gòu)成，總?cè)莘e達(dá)30萬(wàn)立方米，被分成8個(gè)不同的主實(shí)驗(yàn)室和其他公共區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)室二期奔著“更黑”而去，連施工所用水泥的輻射量，都必須限定在一定范圍內(nèi)。清華大學(xué)工程物理系副研究員曾志特別為此選定了一種中熱水泥。每批水泥運(yùn)來(lái)，團(tuán)隊(duì)都要先用伽馬譜儀對(duì)其輻射量進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)定。“低本底環(huán)境的營(yíng)造是一項(xiàng)綜合工程，細(xì)節(jié)全部都要考慮到。”曾志說(shuō)。

“以前這里只有套別墅，清華大學(xué)和上海交大住在這兒。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外其他科研機(jī)構(gòu)也需要這樣的條件。所以，我們得擴(kuò)建出一個(gè)小區(qū)。”程建平打了個(gè)比方。

“小區(qū)”的土建工作已經(jīng)完成。建“小區(qū)”，同樣困難重重。就連通風(fēng)這樣的問(wèn)題，放到地下，也變得棘手。

實(shí)驗(yàn)室一期的通風(fēng)管貼著隧道上方洞壁，一直延伸至洞外。但二期實(shí)驗(yàn)室所需通風(fēng)管直徑更大，原有方法無(wú)法照搬。

通風(fēng)系統(tǒng)是二期實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的關(guān)鍵工程之一。清華大學(xué)和雅礱江公司研討后提出方案：通風(fēng)管可以從隧道下方的排水洞走。

為摸清排水洞內(nèi)情況，2016年1月下旬，一個(gè)勘察小組成立了。成員們穿著防水服、救生衣，戴上頭盔，拿上探照燈、對(duì)講機(jī)還有鐵鍬，進(jìn)了洞。

4個(gè)小時(shí)，勘察小組走了2.6公里。他們最終確認(rèn)，風(fēng)管安裝施工可以在排水洞進(jìn)行。

如今，“小區(qū)”的建設(shè)正在順利推進(jìn)。程建平表示，“小區(qū)”建成后，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室將有望逐步發(fā)展成為國(guó)家級(jí)的面向世界開(kāi)放的基礎(chǔ)研究平臺(tái)。越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)將來(lái)到這個(gè)科研殿堂，在暗物質(zhì)、中微子、核天體物理和深地巖石力學(xué)等領(lǐng)域開(kāi)展研究，破譯前沿基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的密碼。（記者 張蓋倫）

造一座最黑的房子，等待那束最弱的光

圖文簡(jiǎn)介