在2400米深地“追光”

近期，中國錦屏地下實驗室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施土建公用工程完工，具備實驗條件。首批來自清華大學、上海交通大學、中國原子能科學研究院等高校和科研院所的10個實驗項目組進駐開展科學實驗。

這座世界最深、最大的極深地下實驗室如何建成？對于科研創新具有什么意義？本報記者進行了采訪。

打造理想環境

錦屏山位于四川省涼山彝族自治州，發源于青藏高原的雅礱江沿著錦屏山蜿蜒流淌。這里地勢陡峭，蘊藏著豐富的水能資源，相繼建成兩座世界級水電站（國投集團雅礱江公司錦屏一級、錦屏二級水電工程項目）。長達17.5公里、垂直巖石覆蓋約2400米的錦屏山隧道穿山而過，連接兩座水電站，這也正是中國錦屏地下實驗室的開端。

本世紀初，清華大學工程物理系團隊開始暗物質實驗研究。暗物質，通俗地講就是那些既不發射光、也不吸收和反射光的物質。到目前為止，暗物質存在的多個科學證據都是由天文觀測給出的。根據天文觀測數據和研究結果，暗物質質量約占宇宙物質總質量的85%，分布在宇宙的各個角落。

遺憾的是，目前人類并沒有真正探測到暗物質。“暗物質研究被認為是21世紀最重大的前沿物理問題之一，暗物質被喻為‘籠罩在21世紀物理學天空中的烏云’。探索暗物質，相當于在烏云中尋找一束光。”清華大學工程物理系教授、CDEX暗物質實驗負責人岳騫對記者說。

工欲善其事，必先利其器。一個理想的研究環境，對開展暗物質實驗研究至關重要。地面充斥著大量的宇宙射線，一個手掌差不多大的空間，每秒就有兩個宇宙射線穿過。若是在地上開展暗物質、中微子探測實驗，探測器接收到的信號會淹沒在宇宙射線的信號中，研究人員無法分辨。

“這就好比在一個非常嘈雜的足球場，要聽到一根針掉到地上的聲音。”岳騫說。

為了最大程度屏蔽干擾，開展暗物質等前沿物理問題的研究需要在地下實驗室進行。然而，在很長一段時間里，由于國內缺乏相關設施，清華大學科研團隊只能租用韓國襄陽地下實驗室的一個拐角。該實驗室巖石覆蓋厚度約為700米，供中國科研團隊的使用面積大約只有1平方米。

在國外開展研究時，清華大學科研團隊也在國內尋找合適的實驗場所。團隊成員曾前往東北和北京的煤礦、秦嶺隧道、河北的金礦等實地考察，結果均不理想。

一籌莫展之際，轉機出現了：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！

團隊立馬前往現場勘察，他們驚喜地發現，這里正是建設深地實驗室的絕佳場所：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暗物質最理想的研究環境。

當清華大學科研團隊找上門來的時候，國投集團雅礱江流域水電開發有限公司的第一反應是疑惑。“大家從未聽說過暗物質，覺得很玄乎。”雅礱江公司錦屏地下實驗室管理局局長李名川說。

當時，錦屏水電站正處于建設高峰期，時間緊、任務重。同時開挖建設實驗室，安全風險高，稍有不慎就會影響錦屏工程進度。但在詳細了解實驗的重大意義并經科學論證后，雅礱江公司毅然決定：開展合作，建設深地實驗室！

創新建設工藝

2010年，體積約4000立方米的錦屏實驗室一期建設完成。然而，更大的難題還在后面。

為滿足暗物質探測器升級需求和其他科研項目對地下空間的使用，清華大學和雅礱江公司開啟實驗室二期項目建設，把地下可用實驗空間增加到30萬立方米。從4000立方米到30萬立方米，足足擴大75倍，項目團隊要闖過重重關卡。

第一關是“設計關”。不同于普通工程，科學實驗項目對工程建設要求更加極致。“防水抑氡工藝、建筑材料和機電設備低本底控制，這些都對設計提出嚴苛要求。”建設團隊成員李宏璧回憶說，臨近施工節點，招標設計要求依然很難落地。

如果設計有差錯，后續所有工作都失去意義。那段日子，建設團隊看在眼里、急在心里。為了盡早攻克難題，團隊成員常常深夜不眠，一手拿著規范文書、一手捻著水泥粉作對比。他們反復查閱文獻資料、用各種儀器驗證排除問題，多次召開專家咨詢會、進行實地調研，最終才形成一份合適的方案。

把設計從圖紙落到現實，還需要過“材料關”。“錦屏山隧道測得最大地應力達到113.87MPa，相當于1萬米水壓。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洞室。”雅礱江公司錦屏地下實驗室管理局副總工程師申滿斌說。

維持洞室穩定的慣例做法，是用鋼筋、混凝土沿著洞周邊襯砌起來，但所有材料難免都有輻射。如何在保持穩定的同時，為實驗室提供盡可能純凈的環境？必須“上新”更高標準的材料。

為此，建設團隊一邊建造一邊研發，成功生產出低輻射的水泥、金剛砂、巖面等材料。“這些材料均為國際首創，最大程度控制了實驗室的輻射。”申滿斌說。

建造實驗室，項目方還面臨“看不見的敵人”——氡氣。該物質會在天然巖體中緩慢釋放，具有放射性，影響實驗精度。如何控制氡氣？建設團隊創造性使用了10層材料，在11萬平方米的洞室表面安裝了“保護膜”。每一層材料都要經過多次研究、試驗和反復討論。“僅僅是防水抑氡工程中鋼筋網取舍這道工序，我們就組織召開了9次討論會議。”李宏璧說。

“安全關”無疑是錦屏地下實驗室必須跨過的又一道障礙。“地下實驗室空間有限，液氮汽化后體積膨脹，造成空氣中含氧量降低，會危及生命。”項目運維團隊成員尹永利介紹，錦屏建有全球最大的物理實驗液氮恒溫罐，承裝1725立方米的液氮，用來開展更大規模的科研試驗。在密閉洞室內確保氮氣安全排放，是擺在項目運維團隊面前的一個難題。

尹永利表示，接手項目后，他組織參建各方制定了10余項施工方案，帶著專業通風設計單位現場踏勘，周密計算洞室環境換氣量及風機布設點；同時，進行不間斷的實驗，實時檢測整個實驗室和輔助洞的含氧量。前前后后歷經4年時間，團隊才順利完成項目。

“目前，項目還建成全球最大的聚乙烯屏蔽艙以及全球最長距離新風供風系統，有效解決了地下實驗空間環境輻射精準控制難題，極大推動了深地工程建設技術的進步。”申滿斌說。

結出累累碩果

在項目建設如火如荼開展之時，另一邊，科研實驗團隊也沒停下腳步。

“關于暗物質的研究，早一天進駐開展實驗，就能早一天取得進步。”上海交通大學PandaX實驗項目成員肖翔說，“實驗項目進度一天都不能耽誤，為此，我們團隊提前申請開展工作。”

在工程施工與科學實驗同步進行的情況下，還要保障科學實驗不中斷，這給項目建設者帶來不小的挑戰。為此，在施工過程中，建設團隊創新工藝，分區域、分階段進行施工。

“以爆破為例，如果我們采用傳統方式，1到2天就能完成爆破。但為了不影響科研，我們花了3個月時間，采用特殊的‘靜態碎石’方式，像保護古建筑一樣，實施精細化爆破，不干擾科研實驗進程。”李宏璧說。

“整個施工期間，我們的實驗沒有任何中斷。”肖翔說，科研團隊安放了震動監測儀器，數據表明，爆破震動對科學實驗儀器沒有產生影響。期間，科研團隊在液氙暗物質探測實驗上取得了多項成果，在《自然》雜志發表了暗物質研究文章，獲得教育部自然科學一等獎。

建成后的錦屏地下實驗室二期，擁有A、B、C、D 4個大廳，每個大廳130米長、14米寬、14米高。“如果說實驗室一期是一個房間，實驗室二期就是一個小區。”李名川說。

在實驗室二期內進行的研究，早已不局限于暗物質。如今，清華大學中微子、生態環境部·北師大聯合實驗、華西深地醫學、工信部電子五所等10個項目組進駐，既開展暗物質、中微子、核天體物理等最前沿課題實驗，也在深地巖體力學、深地醫學等方面進行研究。

當初埋藏在錦屏山下的一顆種子，如今已結出累累碩果。自2013年清華大學發布中國第一個自主暗物質研究成果以來，短短10余年間，清華大學牽頭的CDEX實驗組和上海交大牽頭的PandaX實驗組已發布30項國際領先的科研成果，助力中國暗物質研究從“跟跑”“并跑”到“交替領跑”。

成果不只在暗物質一個領域。2022年10月，進駐錦屏地下實驗室的實驗組對遠古恒星鈣豐度的研究成果在《自然》雜志發表，標志著中國核天體物理研究進入全球前列。截至目前，錦屏地下實驗室各研究團隊累計發表高水平論文120多篇，其中2篇發表在《自然》雜志上，培養了諸多青年科研人才。

“未來，國投集團雅礱江公司將同清華大學一道，邀請更多的實驗團隊入駐，將實驗室打造成涵蓋粒子物理、核天體物理、生命科學、巖石力學等多學科交叉的世界級深地科學研究平臺。”李名川說。

（本版圖片均由國投集團雅礱江公司提供）

延伸閱讀???

如何探測暗物質

20世紀30年代，瑞士天文學家弗里茨·茲威基通過大量天文學觀測和推導，首次提出暗物質的猜想。

目前，學界主要通過三種方式尋找暗物質：

一是“上天”。所謂“上天”，是指在天文觀測中捕捉暗物質湮滅或衰變的信號。例如中國發射的“悟空”號暗物質粒子探測衛星，是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星。

二是“入地”。暗物質和普通物質的原子核碰撞后，會產生微弱信號，但這種信號不易捕捉。為最大限度屏蔽其他宇宙射線的干擾，此類探測實驗常在地下深處進行。例如，中國錦屏地下實驗室就在四川錦屏山地下約2400米處。

三是“人造”。這種尋找暗物質的方法是在實驗室產生暗物質粒子。在高能粒子對撞實驗中，可能會有尚未被發現的粒子產生出來，再結合直接或間接的探測手段，可以幫助確定對撞機中出現的粒子是否為暗物質。

（本報記者 吳雪聰整理）