​中国锦屏地下实验室将建世界最大暗物质探测器

中国锦屏地下实验室将建世界最大暗物质探测器

本文转自：人民日报客户端

四川日报

在凉山州木里县、盐源县与冕宁县交界处，150公里长的雅砻江锦屏大河湾，矗立着两座世界级水电站——锦屏一级水电站，拥有世界第一高坝；锦屏二级水电站，拥有世界最大规模的水工隧洞群。连接两座电站、长17.5公里的锦屏山隧道里，藏着世界最深最大的极深地下实验室——中国锦屏地下实验室。暗物质、核天体物理、中微子、岩石力学……这些前沿科技的研究，都从这座地下2400米的实验室起航，奔赴星辰大海。大事记●2009年5月清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签订战略合作协议，启动中国锦屏地下实验室建设●2010年12月中国锦屏地下实验室正式投入使用●2014年8月清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署协议，共同建设中国锦屏地下实验室（二期）项目●2016年中国锦屏地下实验室（二期）项目被列入国家重大科技基础设施建设“十三五”规划●2019年7月中国锦屏地下实验室正式启动国家重大科技基础设施项目建设●2020年12月雅砻江流域水电开发有限公司锦屏地下实验室管理局成立，锦屏大设施正式开工建设●2021年3月国家“十四五”规划发布，锦屏大设施跻身前瞻引领型国家重大科技基础设施世界极深实验室排名●2400米（岩石覆盖厚度）中国锦屏地下实验室●2000米加拿大斯诺地下实验室●1700米法国摩丹地下实验室●1400米意大利格兰萨索地下实验室●1100米英国伯毕地下实验室●1000米日本神岗地下实验室●700米韩国襄阳（Y2L）地下实验室●600米美国苏丹地下实验室□四川日报全媒体记者 李欣忆2400米隧洞深处神秘地下实验室一年半建成9月22日，乘车从凉山州西昌市一路向北，在冕宁县漫水湾驶入锦屏水电站专用公路，溯流而上，河滩峡谷，山挤着山。约两小时后，车辆一头扎进开车通行需半小时的锦屏山隧道。就像进入一个洞穴迷宫，我们穿过一个又一个洞穴，行至隧道中央，中国锦屏地下实验室到了。实验室与水电站的结缘，缘于一次偶然。2008年8月8日，锦屏山隧道全线贯通。清华大学工程物理系一位老师从新闻里得知锦屏山隧道岩石覆盖达2400米，兴奋不已。“这不正是暗物质实验梦寐以求的地方吗？”我们能看到的普通物质，在整个宇宙物质质量中只占不到15%，剩余85%都是看不到的物质，科学家们称其为暗物质。人类关于暗物质的研究可追溯到80多年前，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。但暗物质一直是个谜，抓取难度很大，到目前为止，世界上也没有人真正捕捉到它。而探测暗物质，需要建设深地实验室，利用岩层阻挡宇宙射线的干扰，为科学实验提供最“纯净”的环境。在中国锦屏地下实验室建成之前，深地实验室仅在发达国家有建，清华大学等科研院所只能利用国外的深地实验室进行暗物质研究。锦屏山隧道全线贯通后，清华大学立即与雅砻江公司取得联系，希望利用锦屏山隧道的绝佳条件建设实验室。但锦屏山隧道是地质条件极为复杂的水工隧洞，在此基础上扩挖实验室，面临巨大挑战。采访中，正在施工的实验室二期工地现场，我们碰到了雅砻江流域水电开发有限公司锦屏地下实验室管理局常务副局长李名川。据他介绍，在中国锦屏地下实验室一期选址和建设过程中，清华大学研究团队详细测量了锦屏山隧道中部的岩石放射性和宇宙线通量，确认了锦屏山隧道中部覆盖岩石是纯净的大理岩，该位置的宇宙线通量约为地面的亿分之一，是非常理想的建设大型地下实验平台的地方。面对种种风险与挑战，雅砻江公司毅然决定支持国家基础科研，与清华大学共建中国锦屏地下实验室。通过科学论证解决安全风险，中国锦屏地下实验室历经一年半建设，于2010年12月正式投入使用。穿了6层“盔甲”只为等待一次载入史册的碰撞走进中国锦屏地下实验室大门，再穿过几道铝合金门之后，一个神秘的空间展现眼前。我们睁大眼睛，来回走了几圈，只看到一些大大小小像氧气罐一样的容器、像砖块一样的设备和仪器，看上去似乎不太科幻。发现并研究暗物质，可能引发物理学革命，但由于暗物质的声音实在太小，探测难度极大。有专家打比方说，就好像在人声鼎沸的体育场里看比赛，还要听清一根针掉落的声音。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。清华大学工程物理系首席研究员岳骞介绍，中国锦屏地下实验室隐藏在山体下，巨大的岩层成为宇宙线的天然屏障，可以屏蔽大量的宇宙线粒子。但这还不够，为了进一步去掉干扰物质，这个神秘空间设置了重重防护“盔甲”。第一层为天然岩石屏障；第二层浇筑了50厘米厚的混凝土作为洞室安全支护结构；第三层放置了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；第五层为20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收热中子；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。这些设备几乎屏蔽掉了能够想到的一切辐射源。重重“盔甲”保护之下，低温液氮环境中，躺着的则是直接探测暗物质的1公斤高纯锗实验探测器。暗物质探测器需要零下196摄氏度的工作环境，因此空间内将不断注入液氮。“千足金只有99.9%的含量，即3个‘9’，但高纯锗晶体纯度则达到12个‘9’以上。”岳骞说，暗物质探测器将所探测到的信号全部记录下来之后，清华大学在北京后方的暗物质实验室同步分析数据，开展相关研究。目前，暗物质探测方法大体分为“上天”“入地”“人造暗物质”3种。中国锦屏地下实验室探测暗物质的方法属于“入地”——在地下放置暗物质探测器，等待暗物质撞上来。“简单来说就是守株待兔。”岳骞说，探测器可以记录下所有与它产生碰撞的信号，如果探测到与普通物质不同的信号，那么就有可能是暗物质，“我们一直在等待一次载入史册的碰撞。”实验室可用空间增加到30万立方米将吸引更多国内外顶级科学团队入驻实验室投用后，首批进驻的有清华大学、上海交通大学两个实验组。经过这些年研究，两个实验组取得近30项国际领先成果，尽管没能直接探测到暗物质，但是通过排除法缩小了探测范围，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”变为“并跑”。这两个实验组还将在中国锦屏地下实验室建成更大规模的、可同时探测暗物质和中微子的大型实验装置，探寻暗物质和中微子的终极奥秘。2020年，中核集团和中科院在中国锦屏地下实验室建成世界最强流深地核天体物理加速器，并成功出束；未来还将在实验室开展世界上最先进的深地核天体物理实验，使我国成为世界核天体物理直接测量的中心。此外，中国科学家还将在这里建成国际上第一个可同时测量切伦科夫光与闪烁光的大型中微子望远镜，在探索太阳和地球中微子的能力和精度上力争做到世界第一。以中科院武汉岩土所及四川大学为代表的岩土力学实验组，将深入研究深地岩石力学、深地地震工程学与地球物理学等国际最前沿的深地基础科学问题。不断斩获科研成果的同时，中国锦屏地下实验室的面积也将扩大。这座山体里的洞室，将在未来打开更多可能。2016年我国提出“向地球深部进军”，同年，实验室二期项目锦屏大设施被列入国家重大科技基础设施建设“十三五”规划。经过二期扩建，中国锦屏地下实验室可用空间由之前的4000立方米增加到30万立方米，扩大近80倍。这里将建设世界最大的暗物质探测器，也将开展多种学科的深地实验。李名川介绍，目前锦屏大设施整个洞室的开挖、扩挖、加固工作已经完成，相当于毛坯房完成。主体工程建设正进入高峰期，正在施工的是“防水抑氡工程”和钢结构工程。氡是放射性气体，不仅是影响人体健康的一类致癌物，而且其衰变产生的放射性粒子进入探测器，会干扰实验结果。“因此，我们决定用10层材料将整个实验空间包裹起来，就像给实验室做了一个鸡蛋壳，蛋壳内部是实验空间。”李名川说，这10层材料组成的壳体面积共11万平方米，只有10厘米厚，特殊定制的材料本身辐射很低，既防水又抑制氡气进入实验室，同时材料用量少，减少了环境辐射，保证实验空间最大。据预计，锦屏大设施土建工程将于2023年6月基本完工，将于2024年11月建成投入使用。中国锦屏地下实验室项目相关负责人表示，凭借国际一流的综合条件和科研成果，锦屏大设施在国内外产生了强大的学术影响力，后续还将会吸引更多的国内外顶级科学团队入驻，形成粒子物理、核天体物理、宇宙学、生命科学、岩石力学等多学科交叉的世界级开放共享实验平台，成为全球深地科学研究的“圣地”。【对话】在地下2400米工作是什么样的体验□四川日报全媒体记者 李欣忆“90后”景明坤已在中国锦屏地下实验室工作了整整7个年头。本科从成都理工大学毕业后，他就扎进了这座深山里的实验室，成为清华大学锦屏实验室项目的科研助理。在地下2400米深处工作是一种什么体验？科研人员日常工作都有哪些？近日，记者跟他聊了聊。记者：你的日常工作主要是什么？景明坤：工作在不同阶段各有侧重。前期不仅要干专业性很强的“细活儿”——超纯材料放射性活度测量实验的数据采集和分析，还要和工人师傅们一起干各种“粗活儿”，比如搬运重物、清洗屏蔽组件。以前，我连拧螺丝都不太会，但到了实验室，很多设备要自己装、自己调，迅速上手，学会了独当一面。现在，你能在修理铺子、加工车间看到的工具，我基本上都会用了。后来，我的主要任务是检测各类样本的辐射本底。最近这段时间，由于实验室在扩容，工作量比较大，水泥、钢筋、砖块等各类建筑材料要先通过检验，才能正式投入实验室建设。记者：怎么个检测法？景明坤：拿到样本材料，搅拌至均匀，放入样品盒中，装满压实，再放入仪器，进行基础数据的测量。仪器工作时，我就在电脑上草拟报告，之后，提取仪器给出的能谱图中的关键信息，进行模拟计算，得到最终数值，将数值和基准值进行对比，就可以判断材料是否合格。记者：你每天在实验室待多久？景明坤：上个月，我测了110份材料，每份材料测量耗时约3个小时，每天在实验室待10个小时以上。实验室四季恒温，冬暖夏凉，实现了光纤、网络全覆盖，可以用WiFi。这里唯一与地面实验室不同的是没有窗户，刮风下雨丝毫感觉不到，也让我常常分不清外界是白天还是黑夜。记者：觉得枯燥吗？景明坤：早就习惯了，并不觉得枯燥，研究本身就很有乐趣。实验室已经产出过一些国际前沿研究成果，暗物质探测团队正在一步步缩小暗物质可能的藏身范围。我有时也会想，那些厉害成果的背后，也有我的一小份力量。记者：你对正在扩建的二期项目有什么期待？景明坤：中国锦屏地下实验室正在进行二期扩建，科研人员期待它将来变成全球深地科学研究中心，届时不同的团队带着各自待解的谜题，汇聚于此。我想，以后会有更多任务、更复杂的工作，我要不断提升自己，去面对更多挑战。我没有想过未来还会坚守多久，只希望能踏踏实实地把科研做下去。