造一座最黑的房子，等待那束最弱的光
——走進(jìn)中國錦屏地下實驗室
來源：科技日報 2016-9-14 張蓋倫
尋找暗物質(zhì)的中國錦屏地下實驗室，在等待一次足以載入史冊的碰撞。
能不能找到暗物質(zhì)？誰也無法打包票。誰也無法給出一個確切的時間表。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。它如此沒有“存在感”，但又如此鮮明地影響著人類對宇宙的認(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)粒子每時每刻都在穿透我們的身體，但人體無知無覺。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。
而這些信號，又散布于宇宙射線與探測器碰撞產(chǎn)生的大量背景信號中。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，找到了一個絕佳地址。
從涼山西昌乘車一路向北，經(jīng)過漫水灣，再駛?cè)脲\屏水電站專用公路。一路上，隧道連著隧道，高山夾著高山。約兩個小時后，錦屏山隧道的入口展現(xiàn)眼前。“中國錦屏地下實驗室”的標(biāo)志，便掛在此處。
中國水電泰斗、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，形成長達(dá)150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級電站，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脈。
它們從錦屏山底部穿過，最大埋深將近2400米，埋深大于1500米洞段占隧道總長的73.1%。2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實現(xiàn)雙洞貫通。當(dāng)時的報道稱，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，并沒有自己的地下實驗室。“許多相關(guān)研究無法進(jìn)行，或者只能與國外有條件的實驗室聯(lián)合開展工作。”清華大學(xué)常務(wù)副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平教授告訴科技日報記者。
2009年，清華大學(xué)與二灘公司（現(xiàn)雅礱江流域水電開發(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驗室。2010年12月，錦屏地下實驗室投入使用，成為我國首個極深地下實驗室，也是全球最深的地下實驗室。
經(jīng)測定，錦屏地下實驗室內(nèi)的宇宙射線通量可以降到地面水平的千萬分之一到億分之一，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室。而且，實驗室周圍巖石的放射性水平也很低。“可以說，中國錦屏地下實驗室擁有國際一流的實驗環(huán)境。”程建平說。
目前，國際上正在運(yùn)行和建設(shè)的地下實驗室有數(shù)十個，主要分布在發(fā)達(dá)國家。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)域一些重大基礎(chǔ)前沿課題的重要研究場所和良好的低本底環(huán)境。
更凈，更精
車輛扎入隧道，前行大概20分鐘，就到了錦屏地下實驗室一期門口。其實，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。
實驗室一期的容積為4000立方米。目前中國錦屏地下實驗室已經(jīng)批準(zhǔn)兩個暗物質(zhì)實驗項目在其中運(yùn)行，一個是清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)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(xué)領(lǐng)導(dǎo)的PandaX（熊貓計劃）液氙暗物質(zhì)實驗項目。進(jìn)入實驗室，穿過一條狹長走廊，最先看到的是上海交通大學(xué)主導(dǎo)的“PandaX項目”暗物質(zhì)探測裝置。他們采用液氙技術(shù)，當(dāng)暗物質(zhì)和氙原子發(fā)生碰撞，氙原子會發(fā)光，同時也會產(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合作組實驗室。他們用的是高純鍺陣列探測器，要捕捉的是暗物質(zhì)粒子與鍺晶體碰撞時產(chǎn)生的信號。
兩個項目組使用的方法，都是直接探測，即測量暗物質(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。
其實，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。前者是探測暗物質(zhì)對互相碰撞、湮滅時產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。我國2015年年底發(fā)射的暗物質(zhì)探測衛(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)。
CDEX合作組的核心裝置高純鍺探測器，藏在白色聚乙烯伸縮門后。它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。
探測器身處重重保護(hù)之下：1米厚的聚乙烯材料，用來慢化和吸收中子；20厘米厚的鉛層，用來屏蔽外部伽馬射線；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，是要給它一個極黑的世界，最好不要漏入一絲外來的光。
運(yùn)行6年，錦屏地下實驗室取得的成果，已經(jīng)將中國的研究團(tuán)隊推向了尋找暗物質(zhì)的前沿：2013年CDEX實驗組在國際上發(fā)表了中國第一個自主暗物質(zhì)研究成果，研究水平達(dá)到國際第一陣營。
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，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質(zhì)存在區(qū)域。2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物質(zhì)探測器運(yùn)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，對可能的暗物質(zhì)候選對象給出了最新的限制。
雖然暗物質(zhì)還沒有被找到，但它的藏身范圍，已經(jīng)縮小。
別墅將變小區(qū)，實驗室變身大平臺
CDEX合作組的下一步計劃，是利用自主研制的高純鍺探測器，建設(shè)10—100公斤量級的高純鍺陣列探測器系統(tǒng)，并最終開展噸量級高純鍺陣列探測器暗物質(zhì)實驗，將探測靈敏度再提升兩個量級。
新的探測器陣列，將置身液氮罐中；而液氮罐，要被放入一個6層樓深的“基坑”。大坑已經(jīng)挖好，它所處的位置，在錦屏地下實驗室二期。
從實驗室一期出來，再往里走上500米，就到了實驗室二期。它由4條子隧道構(gòu)成，總?cè)莘e達(dá)30萬立方米，被分成8個不同的主實驗室和其他公共區(qū)域。
實驗室二期奔著“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，團(tuán)隊都要先用伽馬譜儀對其輻射量進(jìn)行嚴(yán)格測定。“低本底環(huán)境的營造是一項綜合工程，細(xì)節(jié)全部都要考慮到。”曾志說。
“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)建出一個小區(qū)。”程建平打了個比方。
“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)這樣的問題，放到地下，也變得棘手。
實驗室一期的通風(fēng)管貼著隧道上方洞壁，一直延伸至洞外。但二期實驗室所需通風(fēng)管直徑更大，原有方法無法照搬。
通風(fēng)系統(tǒng)是二期實驗室建設(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、對講機(jī)還有鐵鍬，進(jìn)了洞。
4個小時，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，錦屏地下實驗室將有望逐步發(fā)展成為國家級的面向世界開放的基礎(chǔ)研究平臺。越來越多的國內(nèi)外科研團(tuán)隊將來到這個科研殿堂，在暗物質(zhì)、中微子、核天體物理和深地巖石力學(xué)等領(lǐng)域開展研究，破譯前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題的密碼。
編輯：苑苑
