清華大學(xué)、雅礱江公司共建的世界最深地下實驗室啟動擴建
清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的暗物質(zhì)研究已取得國際一流實驗結(jié)果
記者 劉蔚如 通訊員 楊 柳
8月1日，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司在成都簽署了共同建設(shè)“中國錦屏地下實驗室”二期工程的合作協(xié)議，標(biāo)志著這個國際上垂直巖石覆蓋最深的、我國第一個極深地下實驗室的擴建工作正式啟動。
圖為清華大學(xué)常務(wù)副校長（右一）與雅礱江公司總經(jīng)理陳云華（左一）代表雙方簽訂合作協(xié)議。
中國錦屏地下實驗室是2009年清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司（時為二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，2012年更名）簽約共同建設(shè)的我國首個極深地下實驗室，2010年12月建成并投入使用，為目前世界上最深的地下實驗室。
實驗室建成后，由清華大學(xué)主導(dǎo)，四川大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、南開大學(xué)和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司等單位共同參與的中國暗物質(zhì)實驗（China Dark matter Experiment，CDEX）合作組開始在實驗室內(nèi)開展暗物質(zhì)研究。2013年，CDEX實驗組在國際權(quán)威物理期刊《物理評論D》（Physical Review D）上發(fā)表首個研究成果，這是我國第一個自主開展暗物質(zhì)實驗研究的物理結(jié)果，該實驗成果在低能區(qū)達(dá)到了國際一流水平，確立了CDEX實驗組在國際暗物質(zhì)探測領(lǐng)域內(nèi)第一陣營的地位。
重大基礎(chǔ)前沿科研工作者的夢想“舞臺”
2009年，當(dāng)清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司簽署合作協(xié)議，決定共同建設(shè)中國錦屏地下實驗室的時候，錦屏地下實驗室主任、清華大學(xué)教授程建平并沒有想到，這個實驗室會在5年后迎來二期建設(shè)的啟動。“我們當(dāng)時就是基于開展暗物質(zhì)研究的需要，決定建設(shè)一個能夠進(jìn)行暗物質(zhì)研究的地下實驗室，至于更大規(guī)模、能夠容納更多領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿課題研究的實驗室的建設(shè)，我們當(dāng)時并沒有想過。”程建平坦言。因此，2010年建成并投入使用的錦屏地下實驗室，僅有利用水電站工程已有的洞室擴建而成的約4000立方米的地下空間，目前這些空間已經(jīng)基本用盡。
圖為雙方人員合影。
錦屏地下實驗室的垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是國際上巖石覆蓋最深的地下實驗室。只有在這樣的極深地下實驗室里，高能量的宇宙線才能夠被盡可能地屏蔽，為暗物質(zhì)探測等重大基礎(chǔ)性前沿課題研究提供盡量“干凈”的輻射環(huán)境。而且經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，錦屏地下實驗室周圍的巖石純度也非常高，其放射性核素含量很低，這是一個“干凈”的地下實驗室所必須具備的另一項重要指標(biāo)。因此，錦屏地下實驗室以其一流的綜合條件吸引了國際科學(xué)界的高度關(guān)注，國際著名雜志《科學(xué)》（Science）、《今日物理》（Physics Today）都對實驗室的建設(shè)運行進(jìn)行了報道。
地下實驗室，尤其是極深地下實驗室，是開展粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域中的暗物質(zhì)探測、雙β衰變、中微子振蕩、質(zhì)子衰變等重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場所，是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等學(xué)科開展相關(guān)實驗研究所需的特殊環(huán)境，也是低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測的良好環(huán)境。過去幾十年國際地下實驗室的發(fā)展進(jìn)程表明，地下實驗室的建設(shè)和發(fā)展為國家提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺，是一個國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施，建設(shè)和發(fā)展極深地下實驗室對國家科技發(fā)展具有重要意義和推動作用。
長期以來，由于我國沒有很好的地下實驗室，特別是極深地下實驗室，許多相關(guān)領(lǐng)域的研究工作無法開展或只能與海外有條件的實驗室聯(lián)合開展，給國內(nèi)的科研工作者開展重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究帶來很大限制。
2003年，清華大學(xué)的研究團隊在世界上率先提出了利用低能量閾值的高純鍺探測器測量低質(zhì)量區(qū)間暗物質(zhì)的研究計劃，這一成果于2004年發(fā)表在《高能物理與核物理》雜志上。然而，由于缺少必要的實驗研究基礎(chǔ)，研究人員們只能一邊與韓國、臺灣的實驗室合作進(jìn)行研究，一邊不斷在國內(nèi)尋找適合建設(shè)地下實驗室的地方。
錦屏地下實驗室的建成，為由清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實驗組的科研人員們提供了夢寐以求的“舞臺”，他們開始在這里盡情地“施展拳腳”。2011年，實驗組基于原先提出的研究計劃，自主模擬、設(shè)計、研制，并委托制造了全世界單體質(zhì)量最大（接近1公斤）、閾值最低的點電極高純鍺探測器。2012年，實驗組利用該探測器在錦屏地下實驗室里獲得了第一批寶貴的數(shù)據(jù)，并展開了數(shù)據(jù)分析。2013年，實驗組的首個研究成果就發(fā)表在國際權(quán)威物理期刊《物理評論D》（Physical Review D）上，這是我國第一個自主開展暗物質(zhì)實驗研究的物理結(jié)果，更為可喜的是，該實驗成果對低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測靈敏度達(dá)到了國際一流水平，確立了CDEX實驗組在國際暗物質(zhì)探測領(lǐng)域內(nèi)第一陣營的地位，這極大地提升了我國在暗物質(zhì)這一重大基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域的研究水平和國際影響力。
在參與CDEX研究的清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫看來，能夠在較短的時間里取得重要的研究成果，錦屏地下實驗室這個得天獨厚的實驗環(huán)境和團隊自主研發(fā)的高純鍺探測器是兩個關(guān)鍵因素，“我們的實驗室非常‘干凈’，所以我們的探測器受到的干擾就更少，我們也就能夠探測到更加靈敏的實驗結(jié)果。”
然而，要進(jìn)一步提高暗物質(zhì)探測的靈敏度，取得突破性的暗物質(zhì)研究成果，必須建設(shè)噸量級的探測器。沒有足夠的實驗室空間來容納噸量級探測器系統(tǒng)的問題，就這樣擺在了研究人員的面前。與此同時，國內(nèi)外多個學(xué)科的許多研究團隊都提出了在該實驗室開展科學(xué)研究的意向。
作為實驗室主任，程建平越來越感覺到，世界科學(xué)家的目光開始向錦屏聚集，他感慨說：“在物理學(xué)乃至整個自然科學(xué)研究領(lǐng)域，對這種極端深地實驗室的需求是非常旺盛的。這么好的一個地方，如果不擴大提供給全世界的科學(xué)家來用，實在太可惜了。”參與CDEX研究的清華大學(xué)工程物理系教授李元景也有同樣的感受，他說：“過去我們?nèi)鈪⒓訃H合作，都是以外國科學(xué)家為主導(dǎo)，我們協(xié)助干活。那時候我們就一直有個夢想，能夠有自己的實驗室，吸引國外的科學(xué)家到我們的實驗室里來，參與由我們主導(dǎo)的基礎(chǔ)科學(xué)研究。”
于是，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司經(jīng)過反復(fù)調(diào)研論證，決定利用錦屏水電站施工隧道，共同建設(shè)中國錦屏地下實驗室二期工程。據(jù)悉，中國錦屏地下實驗室二期工程將包括4組共8個實驗室及其輔助設(shè)施，總?cè)莘e將達(dá)到12萬立方米，能夠容納更多的深地科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒烅椖客瑫r開展，建成后將有望逐步發(fā)展成為國家級的面向世界開放的基礎(chǔ)研究平臺。
校企合作開展基礎(chǔ)科學(xué)研究的典范
重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究的設(shè)施投入通常是巨大的，在我國，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域普遍存在著資金短缺的現(xiàn)象。“以國家現(xiàn)階段的國力和財力，不可能投入那么大的資金到基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。但是中國要成為科技強國，不能總是跟隨在發(fā)達(dá)國家后面，必須有所為地參與到一些最前沿的科學(xué)研究中去。”程建平強調(diào)說，“在這種情況下，企業(yè)、社會等各方面如果能夠?qū)A(chǔ)研究有所支持，將對我國基礎(chǔ)研究的發(fā)展起到很大的推動作用。清華大學(xué)與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司的合作，就是企業(yè)支持高校開展重大基礎(chǔ)前沿研究的典范。”
與國外動輒耗資數(shù)十億的地下實驗室建設(shè)相比，錦屏地下實驗室的建設(shè)充分利用了雅礱江公司承擔(dān)的錦屏水電站的建設(shè)工程，節(jié)省了大量的資金、設(shè)備設(shè)施、人力、工程管理等投入。程建平說：“在雅礱江公司的支持下，我們有條件利用少量的錢辦成一件大事，這樣的機會稍縱即逝，需要盡快抓住，所以我們決定與雅礱江公司簽約，啟動實驗室的二期建設(shè)。”
程建平所指的稍縱即逝的機會，就是錦屏水電站即將于明年12月結(jié)束施工的建設(shè)工程。按照水電站的建設(shè)進(jìn)程，一旦施工結(jié)束，所有的工程基礎(chǔ)設(shè)施、輔助設(shè)施、生活設(shè)施都要拆除，恢復(fù)原有的環(huán)境，施工設(shè)備和人員也將撤離。如果不抓住與水電站工程建設(shè)同步建設(shè)的機會，一旦工程結(jié)束，再想開展地下實驗室的擴建，其投入將會大幅增加。
在地下實驗室二期建設(shè)的調(diào)研論證過程中，“做，還是不做？”一度成為實驗室管理團隊成員反復(fù)思索的一個問題。不做，大家都覺得錯過這樣的機會太可惜；做，就不能只做簡單的小規(guī)模的擴展，要經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研規(guī)劃，把錦屏地下實驗室建設(shè)成為具有一定規(guī)模、能夠容納多學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)前沿研究的國際一流實驗室。這樣一來，所需投入的資金就成為一個難題。由于水電站施工工期緊迫，從任何渠道申請國家項目的資金支持，其審核周期都不能在有限的時間內(nèi)完成，無法保證地下實驗室二期建設(shè)跟上水電站的施工進(jìn)度。經(jīng)過反復(fù)的思考、調(diào)研和討論，中國錦屏地下實驗室管理委員會終于在去年下定決心，承擔(dān)起二期建設(shè)的工作。回想起當(dāng)時的決定，程建平指出：“作為一家企業(yè)，雅礱江公司與清華大學(xué)共同建設(shè)地下實驗室，給予清華大學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)研究很大的幫助。在這樣一個緊迫的時間節(jié)點上，清華也應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起這個重要的責(zé)任，我們自籌經(jīng)費，決心把錦屏地下實驗室的二期建設(shè)工作做好！”
如今，中國錦屏地下實驗室二期建設(shè)正式啟動，預(yù)計將于2015年底完成土建工作。
建設(shè)世界領(lǐng)先的基礎(chǔ)科研平臺
如果說曾經(jīng)，擁有一個自己的極深地下實驗室是許多國內(nèi)相關(guān)科研工作者的夢想；那么如今，利用錦屏地下實驗室這個條件一流的極端實驗平臺開展研究工作，則是國內(nèi)外許多科學(xué)家的愿望。
除了暗物質(zhì)研究，雙β衰變、中微子振蕩，乃至巖體力學(xué)、生態(tài)學(xué)等很多研究領(lǐng)域都對極深地下實驗室有需求。錦屏地下實驗室的建成以及CDEX研究取得的成果，變成了一種牽引，越來越多的科學(xué)家在思考如何利用這樣一個極端實驗條件，開展新的前沿研究。
而在這些前沿基礎(chǔ)研究的過程中，許多的科學(xué)技術(shù)問題也在需求驅(qū)動下被發(fā)現(xiàn)和解決。在CDEX研究團隊里，就有先進(jìn)輻射探測、輻射防護、材料學(xué)、低溫技術(shù)、電子學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的專家，其中非常重要的一個領(lǐng)域就是高純鍺探測器的自主研制。長期以來，高純鍺探測器都由國外壟斷，而我們要想自主地開展噸量級暗物質(zhì)研究并取得重大突破，必須自己掌握這一重要的探測技術(shù)，同時還可以大幅度降低成本，推動我國先進(jìn)半導(dǎo)體探測器的研制。
正是在這種需求的驅(qū)動下，參與CDEX研究的清華工物系教授李玉蘭承擔(dān)了高純鍺探測器的自主研制工作，目前已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，不僅能夠促進(jìn)暗物質(zhì)等基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究，而且可以提升我國高端產(chǎn)業(yè)的競爭力。
什么樣的科研項目能夠進(jìn)入錦屏地下實驗室？在程建平看來，首先必須是最重大、最前沿的研究課題，這是最為嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn)；其次，研究項目所要求的實驗空間也不能超出錦屏地下實驗室的容納限制。在此基礎(chǔ)上，將由錦屏地下實驗室的學(xué)術(shù)委員會負(fù)責(zé)評定，該學(xué)術(shù)委員會將由國內(nèi)外的知名科學(xué)家組成。
在優(yōu)先滿足國內(nèi)科學(xué)家的研究需求基礎(chǔ)上，中國錦屏地下實驗室也將面向世界開放，希望不斷吸引國外的優(yōu)秀科學(xué)家前來參與科研合作。這樣一來，采用什么樣的機制體制運行和管理實驗室，成為實驗室管委會需要探索和解決的問題。
“以前的國際合作多是我們到外國去，參與國外的科研項目。現(xiàn)在國外的科學(xué)家要到我們這里來，參與我們的研究工作，這就會使我們遇到一些新的問題。”程建平說，這不僅需要我們提供良好的實驗室硬件條件，也需要我們建立好的實驗室運行管理機制，使來自世界各地的科學(xué)家都能在這里充分自主地開展科學(xué)研究。在程建平看來，這些軟性機制體制的建設(shè)工作，同實驗室的硬件建設(shè)一樣，是我國走向科技強國需要探索和解決的問題。中國錦屏地下實驗室的二期建設(shè)和今后的發(fā)展，必將使其成為世界領(lǐng)先的基礎(chǔ)科研平臺。
（清華新聞網(wǎng)8月3日電）
編輯：襄樺
