中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期錦屏大設(shè)施A2實(shí)驗(yàn)廳。

位于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的JUNA深地核天體物理實(shí)驗(yàn)裝置。

科研人員在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

錦屏山交通隧道東端。

　　近期，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施土建公用工程完工，具備實(shí)驗(yàn)條件。首批來(lái)自清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院等高校和科研院所的10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組進(jìn)駐開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　這座世界最深、最大的極深地下實(shí)驗(yàn)室如何建成？對(duì)于科研創(chuàng)新具有什么意義？本報(bào)記者進(jìn)行了采訪。

 

　　打造理想環(huán)境

　　錦屏山位于四川省涼山彝族自治州，發(fā)源于青藏高原的雅礱江沿著錦屏山蜿蜒流淌。這里地勢(shì)陡峭，蘊(yùn)藏著豐富的水能資源，相繼建成兩座世界級(jí)水電站（國(guó)投集團(tuán)雅礱江公司錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)水電工程項(xiàng)目）。長(zhǎng)達(dá)17.5公里、垂直巖石覆蓋約2400米的錦屏山隧道穿山而過(guò)，連接兩座水電站，這也正是中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)端。

　　本世紀(jì)初，清華大學(xué)工程物理系團(tuán)隊(duì)開(kāi)始暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究。暗物質(zhì)，通俗地講就是那些既不發(fā)射光、也不吸收和反射光的物質(zhì)。到目前為止，暗物質(zhì)存在的多個(gè)科學(xué)證據(jù)都是由天文觀測(cè)給出的。根據(jù)天文觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，暗物質(zhì)質(zhì)量約占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的85%，分布在宇宙的各個(gè)角落。

　　遺憾的是，目前人類并沒(méi)有真正探測(cè)到暗物質(zhì)。“暗物質(zhì)研究被認(rèn)為是21世紀(jì)最重大的前沿物理問(wèn)題之一，暗物質(zhì)被喻為‘籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云’。探索暗物質(zhì)，相當(dāng)于在烏云中尋找一束光?！鼻迦A大學(xué)工程物理系教授、CDEX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人岳騫對(duì)記者說(shuō)。

　　工欲善其事，必先利其器。一個(gè)理想的研究環(huán)境，對(duì)開(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究至關(guān)重要。地面充斥著大量的宇宙射線，一個(gè)手掌差不多大的空間，每秒就有兩個(gè)宇宙射線穿過(guò)。若是在地上開(kāi)展暗物質(zhì)、中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)，探測(cè)器接收到的信號(hào)會(huì)淹沒(méi)在宇宙射線的信號(hào)中，研究人員無(wú)法分辨。

　　“這就好比在一個(gè)非常嘈雜的足球場(chǎng)，要聽(tīng)到一根針掉到地上的聲音?！痹莉q說(shuō)。

　　為了最大程度屏蔽干擾，開(kāi)展暗物質(zhì)等前沿物理問(wèn)題的研究需要在地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。然而，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，由于國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)設(shè)施，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)只能租用韓國(guó)襄陽(yáng)地下實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)拐角。該實(shí)驗(yàn)室?guī)r石覆蓋厚度約為700米，供中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的使用面積大約只有1平方米。

　　在國(guó)外開(kāi)展研究時(shí)，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)也在國(guó)內(nèi)尋找合適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。團(tuán)隊(duì)成員曾前往東北和北京的煤礦、秦嶺隧道、河北的金礦等實(shí)地考察，結(jié)果均不理想。

　　一籌莫展之際，轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)了：2008年8月8日，岳騫偶然在電視上看到一條新聞：錦屏山隧道貫通了！

　　團(tuán)隊(duì)立馬前往現(xiàn)場(chǎng)勘察，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，這里正是建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室的絕佳場(chǎng)所：隧道上方2400多米的巖石厚度可以屏蔽各種宇宙射線，而且周邊的巖石是大理巖，輻射也低。一旦建成，這里將擁有目前世界上探測(cè)暗物質(zhì)最理想的研究環(huán)境。

　　當(dāng)清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)找上門(mén)來(lái)的時(shí)候，國(guó)投集團(tuán)雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司的第一反應(yīng)是疑惑?！按蠹覐奈绰?tīng)說(shuō)過(guò)暗物質(zhì)，覺(jué)得很玄乎?！毖诺a江公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局局長(zhǎng)李名川說(shuō)。

　　當(dāng)時(shí)，錦屏水電站正處于建設(shè)高峰期，時(shí)間緊、任務(wù)重。同時(shí)開(kāi)挖建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，安全風(fēng)險(xiǎn)高，稍有不慎就會(huì)影響錦屏工程進(jìn)度。但在詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)的重大意義并經(jīng)科學(xué)論證后，雅礱江公司毅然決定：開(kāi)展合作，建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室！

　　創(chuàng)新建設(shè)工藝

　　2010年，體積約4000立方米的錦屏實(shí)驗(yàn)室一期建設(shè)完成。然而，更大的難題還在后面。

　　為滿足暗物質(zhì)探測(cè)器升級(jí)需求和其他科研項(xiàng)目對(duì)地下空間的使用，清華大學(xué)和雅礱江公司開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室二期項(xiàng)目建設(shè)，把地下可用實(shí)驗(yàn)空間增加到30萬(wàn)立方米。從4000立方米到30萬(wàn)立方米，足足擴(kuò)大75倍，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要闖過(guò)重重關(guān)卡。

　　第一關(guān)是“設(shè)計(jì)關(guān)”。不同于普通工程，科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)工程建設(shè)要求更加極致。“防水抑氡工藝、建筑材料和機(jī)電設(shè)備低本底控制，這些都對(duì)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)苛要求。”建設(shè)團(tuán)隊(duì)成員李宏璧回憶說(shuō)，臨近施工節(jié)點(diǎn)，招標(biāo)設(shè)計(jì)要求依然很難落地。

　　如果設(shè)計(jì)有差錯(cuò)，后續(xù)所有工作都失去意義。那段日子，建設(shè)團(tuán)隊(duì)看在眼里、急在心里。為了盡早攻克難題，團(tuán)隊(duì)成員常常深夜不眠，一手拿著規(guī)范文書(shū)、一手捻著水泥粉作對(duì)比。他們反復(fù)查閱文獻(xiàn)資料、用各種儀器驗(yàn)證排除問(wèn)題，多次召開(kāi)專家咨詢會(huì)、進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，最終才形成一份合適的方案。

　　把設(shè)計(jì)從圖紙落到現(xiàn)實(shí)，還需要過(guò)“材料關(guān)”?！板\屏山隧道測(cè)得最大地應(yīng)力達(dá)到113.87MPa，相當(dāng)于1萬(wàn)米水壓。難度不亞于在地球上最深的地方——馬里亞納海溝最深處挖一個(gè)洞室?！毖诺a江公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局副總工程師申滿斌說(shuō)。

　　維持洞室穩(wěn)定的慣例做法，是用鋼筋、混凝土沿著洞周邊襯砌起來(lái)，但所有材料難免都有輻射。如何在保持穩(wěn)定的同時(shí)，為實(shí)驗(yàn)室提供盡可能純凈的環(huán)境？必須“上新”更高標(biāo)準(zhǔn)的材料。

　　為此，建設(shè)團(tuán)隊(duì)一邊建造一邊研發(fā)，成功生產(chǎn)出低輻射的水泥、金剛砂、巖面等材料?！斑@些材料均為國(guó)際首創(chuàng)，最大程度控制了實(shí)驗(yàn)室的輻射?！鄙隄M斌說(shuō)。

　　建造實(shí)驗(yàn)室，項(xiàng)目方還面臨“看不見(jiàn)的敵人”——氡氣。該物質(zhì)會(huì)在天然巖體中緩慢釋放，具有放射性，影響實(shí)驗(yàn)精度。如何控制氡氣？建設(shè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性使用了10層材料，在11萬(wàn)平方米的洞室表面安裝了“保護(hù)膜”。每一層材料都要經(jīng)過(guò)多次研究、試驗(yàn)和反復(fù)討論?！皟H僅是防水抑氡工程中鋼筋網(wǎng)取舍這道工序，我們就組織召開(kāi)了9次討論會(huì)議?！崩詈觇嫡f(shuō)。

　　“安全關(guān)”無(wú)疑是錦屏地下實(shí)驗(yàn)室必須跨過(guò)的又一道障礙?！暗叵聦?shí)驗(yàn)室空間有限，液氮汽化后體積膨脹，造成空氣中含氧量降低，會(huì)危及生命?！表?xiàng)目運(yùn)維團(tuán)隊(duì)成員尹永利介紹，錦屏建有全球最大的物理實(shí)驗(yàn)液氮恒溫罐，承裝1725立方米的液氮，用來(lái)開(kāi)展更大規(guī)模的科研試驗(yàn)。在密閉洞室內(nèi)確保氮?dú)獍踩欧牛菙[在項(xiàng)目運(yùn)維團(tuán)隊(duì)面前的一個(gè)難題。

　　尹永利表示，接手項(xiàng)目后，他組織參建各方制定了10余項(xiàng)施工方案，帶著專業(yè)通風(fēng)設(shè)計(jì)單位現(xiàn)場(chǎng)踏勘，周密計(jì)算洞室環(huán)境換氣量及風(fēng)機(jī)布設(shè)點(diǎn)；同時(shí)，進(jìn)行不間斷的實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室和輔助洞的含氧量。前前后后歷經(jīng)4年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)才順利完成項(xiàng)目。

　　“目前，項(xiàng)目還建成全球最大的聚乙烯屏蔽艙以及全球最長(zhǎng)距離新風(fēng)供風(fēng)系統(tǒng)，有效解決了地下實(shí)驗(yàn)空間環(huán)境輻射精準(zhǔn)控制難題，極大推動(dòng)了深地工程建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步?！鄙隄M斌說(shuō)。

　　結(jié)出累累碩果

　　在項(xiàng)目建設(shè)如火如荼開(kāi)展之時(shí)，另一邊，科研實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)也沒(méi)停下腳步。

　　“關(guān)于暗物質(zhì)的研究，早一天進(jìn)駐開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，就能早一天取得進(jìn)步?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)PandaX實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成員肖翔說(shuō)，“實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)度一天都不能耽誤，為此，我們團(tuán)隊(duì)提前申請(qǐng)開(kāi)展工作?！?/p>

　　在工程施工與科學(xué)實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行的情況下，還要保障科學(xué)實(shí)驗(yàn)不中斷，這給項(xiàng)目建設(shè)者帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。為此，在施工過(guò)程中，建設(shè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新工藝，分區(qū)域、分階段進(jìn)行施工。

　　“以爆破為例，如果我們采用傳統(tǒng)方式，1到2天就能完成爆破。但為了不影響科研，我們花了3個(gè)月時(shí)間，采用特殊的‘靜態(tài)碎石’方式，像保護(hù)古建筑一樣，實(shí)施精細(xì)化爆破，不干擾科研實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。”李宏璧說(shuō)。

　　“整個(gè)施工期間，我們的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有任何中斷?！毙は枵f(shuō)，科研團(tuán)隊(duì)安放了震動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，數(shù)據(jù)表明，爆破震動(dòng)對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器沒(méi)有產(chǎn)生影響。期間，科研團(tuán)隊(duì)在液氙暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)上取得了多項(xiàng)成果，在《自然》雜志發(fā)表了暗物質(zhì)研究文章，獲得教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

　　建成后的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期，擁有A、B、C、D 4個(gè)大廳，每個(gè)大廳130米長(zhǎng)、14米寬、14米高?！叭绻f(shuō)實(shí)驗(yàn)室一期是一個(gè)房間，實(shí)驗(yàn)室二期就是一個(gè)小區(qū)?！崩蠲ㄕf(shuō)。

　　在實(shí)驗(yàn)室二期內(nèi)進(jìn)行的研究，早已不局限于暗物質(zhì)。如今，清華大學(xué)中微子、生態(tài)環(huán)境部·北師大聯(lián)合實(shí)驗(yàn)、華西深地醫(yī)學(xué)、工信部電子五所等10個(gè)項(xiàng)目組進(jìn)駐，既開(kāi)展暗物質(zhì)、中微子、核天體物理等最前沿課題實(shí)驗(yàn)，也在深地巖體力學(xué)、深地醫(yī)學(xué)等方面進(jìn)行研究。

　　當(dāng)初埋藏在錦屏山下的一顆種子，如今已結(jié)出累累碩果。自2013年清華大學(xué)發(fā)布中國(guó)第一個(gè)自主暗物質(zhì)研究成果以來(lái)，短短10余年間，清華大學(xué)牽頭的CDEX實(shí)驗(yàn)組和上海交大牽頭的PandaX實(shí)驗(yàn)組已發(fā)布30項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的科研成果，助力中國(guó)暗物質(zhì)研究從“跟跑”“并跑”到“交替領(lǐng)跑”。

　　成果不只在暗物質(zhì)一個(gè)領(lǐng)域。2022年10月，進(jìn)駐錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)組對(duì)遠(yuǎn)古恒星鈣豐度的研究成果在《自然》雜志發(fā)表，標(biāo)志著中國(guó)核天體物理研究進(jìn)入全球前列。截至目前，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室各研究團(tuán)隊(duì)累計(jì)發(fā)表高水平論文120多篇，其中2篇發(fā)表在《自然》雜志上，培養(yǎng)了諸多青年科研人才。

　　“未來(lái)，國(guó)投集團(tuán)雅礱江公司將同清華大學(xué)一道，邀請(qǐng)更多的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)入駐，將實(shí)驗(yàn)室打造成涵蓋粒子物理、核天體物理、生命科學(xué)、巖石力學(xué)等多學(xué)科交叉的世界級(jí)深地科學(xué)研究平臺(tái)?！崩蠲ㄕf(shuō)。

　　（本版圖片均由國(guó)投集團(tuán)雅礱江公司提供） 

 

　　延伸閱讀???

　　如何探測(cè)暗物質(zhì)

　　20世紀(jì)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)觀測(cè)和推導(dǎo)，首次提出暗物質(zhì)的猜想。

　　目前，學(xué)界主要通過(guò)三種方式尋找暗物質(zhì)：

　　一是“上天”。所謂“上天”，是指在天文觀測(cè)中捕捉暗物質(zhì)湮滅或衰變的信號(hào)。例如中國(guó)發(fā)射的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，是目前世界上觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。

　　二是“入地”。暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的原子核碰撞后，會(huì)產(chǎn)生微弱信號(hào)，但這種信號(hào)不易捕捉。為最大限度屏蔽其他宇宙射線的干擾，此類探測(cè)實(shí)驗(yàn)常在地下深處進(jìn)行。例如，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室就在四川錦屏山地下約2400米處。

　　三是“人造”。這種尋找暗物質(zhì)的方法是在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。在高能粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，可能會(huì)有尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子產(chǎn)生出來(lái)，再結(jié)合直接或間接的探測(cè)手段，可以幫助確定對(duì)撞機(jī)中出現(xiàn)的粒子是否為暗物質(zhì)。

　?。ū緢?bào)記者  吳雪聰整理）

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