川报观察记者 李欣忆发自凉山州木里县


       7月20日,“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”启动仪式在锦屏山隧道举行。这标志着由清华大学和雅砻江流域水电开发有限企业共同建设的中国首个、世界最深的极深地下实验室,正式启动国家重大科技基础设施项目建设。

近年来我国启动建设的国家重大科技基础设施项目,主要有中国天眼、中国人造小太阳、正负电子对撞机等。

什么是暗物质?

       进入17.5公里长的锦屏山隧道,就像进入了一个洞穴迷宫。穿过一个又一个洞穴,在隧道中央,锦屏地下实验室到了。实验室虽然不大,却深埋地下2400米,相当于7个四川电视塔的高度。

       这个地下实验室目前主要开展的是暗物质研究。什么是暗物质?人们对它的认识大多来自科幻作品,影片《变形金刚》中,机器人禁闭用暗物质作为燃料驾驶飞船在宇宙中穿梭。在世界物理学领域,暗物质一直是个谜,由于抓取难度大,据说每年3000万次抓取事件,和暗物质有关的不到1次,到目前为止,世界上也没有人真正捕捉到它。

       暗物质在宇宙中无处不在,只不过看不到。大家能看到的普通物质在整个宇宙中只占不到5%。剩下95%的都看不到,科学家们称为暗物质和暗能量。这里所说的“看不见”,不单说用大家的肉眼看不见,而是不论探测什么波段的电磁波,比如无线电、红外线、紫外线、X射线等,都看不到它。

       人类关于暗物质的研究可以追溯到80多年前,那时的天文学家意识到,星系中恒星的运动速度实在是太快了,如果不是因为什么神秘的力量抓住了它,它们很有可能飞出去。然而到目前为止,仍然没有任何人知道这股神秘的力量是什么。国际的研究从未停止,但是目前成果很小。

怎么寻找暗物质?

       发现并研究暗物质,可能引发物理学的革命。目前,暗物质探测方法大体分为“上天”“入地”和“人造暗物质”三种。

       锦屏地下实验室探测暗物质的方法属于“入地”。锦屏地下实验室隐藏在3000米高的山体下,巨大的岩层成为宇宙线的天然屏障,宇宙线通量为地面宇宙线通量水平的亿分之一,可以屏蔽大量的宇宙线粒子。

        由于暗物质的声音实在太小,探测难度极大。这就好像在人声鼎沸的体育场里面看比赛,还要听清一根几毫米细的针掉落的声音。因此要想探测它,需要把周围的干扰物质去掉。这些干扰物质包括宇宙线粒子、中子、伽马射线等。

       进入锦屏地下实验室,穿过几道铝合金门之后,一个神秘的空间展现眼前。清华大学工程物理系研究员岳骞先容,为了去掉干扰物质,这个神秘空间设置了重重防护盔甲。第一层是天然岩石屏障;第二层是50厘米厚的混凝土;第三层是1米厚的聚乙烯,用于屏蔽中子;第四层为20厘米厚的铅房子,用于屏蔽伽马射线;第五层20厘米厚的含硼聚乙烯,用于吸取热中子;第六层为10厘米厚的铜房子,用于屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线。

       在重重保护的最里面,放置的就是暗物质探测器。“暗物质探测器的工作原理简单来说就是‘守株待兔’。”实验室研究人员景明坤说,探测器可以记录下所有与它产生碰撞的信号,如果有与普通物质不同的信号,那么就有可能是暗物质。“大家正在等待一次可以载入史册的碰撞。”

升级之后有何变化?

       2010年,锦屏地下实验室投入使用,两个中国科学家牵头的实验组进驻,分别是清华大学主导的CDEX实验、上海交通大学牵头组织的PandaX实验。经过这些年的研究,取得了一系列研究成果,在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有,研究水平达到国际先进,由“跟跑”变成“并跑”。

       2014年,中国锦屏地下实验室启动二期扩建工程,地下可用实验空间由之前的4000立方米增加到30万立方米。今日正式启动国家重大科技基础设施项目建设,意味着从校企合作转变为国家平台,将为我国粒子物理和核物理领域的重大基础前沿物理问题研究提供平台支撑。

       以清华大学来说,目前放置的暗物质探测器为10公斤量级的高纯锗阵列,二期投运之后,将采用1吨量级的高纯锗阵列,是目前的1000倍。“这将极大加速发现暗物质的时间,缩小发现暗物质的范围。”实验室研究人员说。

       不光是实验室面积的扩大,还将实现研究范围的提升。二期项目将提供一个近零宇宙线本底的地下辐射计量平台,为我国建设完善的辐射计量基准提供实施条件,推动海洋科学、材料科学、环境科学、生物学等交叉领域的研究,为这些学科领域提供一个国际一流的交叉创新平台。

      锦屏地下实验室项目相关负责人表示,项目建设完成后将具备国际领先的深地物理实验综合条件,有望成为世界深地物理实验的中心,推动我国开展国际级大科学合作,吸引国内外顶尖学者前往开展前沿物理实验,为取得重大物理突破提供基础设施保障。

锦屏地下实验室时间线

      2009年5月,清华大学与雅砻江流域水电开发有限企业签订战略合作协议,启动锦屏地下实验室建设。

      2010年12月,锦屏地下实验室正式投入使用,标志着我国首个、世界最深的极深地下实验室正式建成。

      2014年8月,清华大学与雅砻江流域水电开发有限企业签订协议,决定共同建设锦屏地下实验室(二期)项目。

      2014年11月,锦屏地下实验室(二期)项目正式开工。

      2017年12月,锦屏地下实验室(二期)项目完成地下岩土工程。

      2018年12月,国家发展改革委正式批复国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”可行性研究报告。

      2019年7月,锦屏地下实验室启动国家重大科技基础设施建设