在2400米巖層下等待暗物質(zhì)“造訪”

張蓋倫

中國(guó)四川，涼山彝族自治州，西昌市，錦屏水電廠，錦屏山交通隧道中部。

垂直巖石覆蓋厚度達(dá)2400米的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科研人員在努力聆聽暗物質(zhì)粒子的絮語。

科研人員早已發(fā)現(xiàn)，如果僅存在人們已知的物質(zhì)，宇宙根本不應(yīng)該是現(xiàn)在這副模樣，一定有別的東西在起作用。

從理論上來說，暗物質(zhì)并不罕見。據(jù)估算，暗物質(zhì)大約占據(jù)宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%。但是，它看不見、摸不著，幾乎不和任何物體發(fā)生作用，是存在于模型中的理論推演。

“誰能率先找到暗物質(zhì)，誰就能在科學(xué)上走在前頭。”清華大學(xué)工程物理系教授、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施副總指揮兼總工程師李元景說。

是工程奇跡，也是暗物質(zhì)探測(cè)的絕佳選址

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的源起，其實(shí)帶點(diǎn)戲劇性。電視上，這只是一條滾動(dòng)而過的字幕新聞：2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實(shí)現(xiàn)雙洞貫通。

那時(shí)，清華大學(xué)工程物理系團(tuán)隊(duì)，正在全國(guó)尋找深地實(shí)驗(yàn)室的合適地址。

屏蔽宇宙射線的最佳方式，就是將實(shí)驗(yàn)室建在地下。

找到暗物質(zhì)、研究暗物質(zhì)，將是人類認(rèn)識(shí)的一次重大飛躍，可能引發(fā)一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。

尋找暗物質(zhì)之旅從2003年開始。

一個(gè)巧合是，也是在2003年，來自全國(guó)各地的近18000名水電開發(fā)者，來到人跡罕至的雅礱江錦屏大河灣，鑿開了他們的戰(zhàn)場(chǎng)，為錦屏一、二級(jí)水電站修建做準(zhǔn)備。

金沙江支流雅礱江奔流至木里、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(zhǎng)達(dá)150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級(jí)電站，就分別選址在這一大河灣東西兩端。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(dòng)脈。

清華大學(xué)的老師從新聞上看到了這個(gè)奇跡。他們敏銳地意識(shí)到，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的地址，有了！

時(shí)任清華大學(xué)副校長(zhǎng)的程建平教授領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)，去往四川，找負(fù)責(zé)錦屏水電站工程的二灘公司（現(xiàn)雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，以下簡(jiǎn)稱雅礱江公司），反復(fù)談了多次。高校和企業(yè)的這番跨界合作，還真成了。

實(shí)驗(yàn)室一期就建在錦屏山隧道中部。空間并不大，只有4000立方米，但填補(bǔ)了我國(guó)沒有深地實(shí)驗(yàn)室的空白。

經(jīng)測(cè)定，錦屏地下實(shí)驗(yàn)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(guó)際上宇宙射線通量最低的地下實(shí)驗(yàn)室，也是全球巖石覆蓋厚度最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

跟所有細(xì)節(jié)“較勁”，將一切推到極限

2010年，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式運(yùn)行。

率先入駐的，是清華大學(xué)牽頭的盤古計(jì)劃（CDEX）高純鍺暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和上海交通大學(xué)牽頭的熊貓計(jì)劃（PandaX）液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。兩大項(xiàng)目，都是對(duì)暗物質(zhì)進(jìn)行直接探測(cè)，即測(cè)量暗物質(zhì)粒子直接彈性碰撞普通物質(zhì)引起的反沖核的數(shù)量和能量等數(shù)值。

隨著合作組對(duì)輻射本底的要求越發(fā)苛刻，高純無氧銅也不能直接拿來就用。清華大學(xué)工程物理系副教授馬豪說，材料只要在地面上，就會(huì)被宇宙射線撞擊，產(chǎn)生新的“噪聲”。于是，課題組要將高純無氧銅送到地下實(shí)驗(yàn)室，將銅電解再重組，去掉那些宇生同位素。探測(cè)暗物質(zhì)最核心的裝置，就是高純鍺探測(cè)器。

傳統(tǒng)高純鍺探測(cè)器及其譜儀被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究、核監(jiān)測(cè)、核應(yīng)急、國(guó)土安全和放射性管理等領(lǐng)域。但要探測(cè)暗物質(zhì)，對(duì)鍺的純度要求更高。

千足金叫“999”金，意思是含金量千分?jǐn)?shù)不小于999。而課題組需要的鍺，其純度要達(dá)到12至13個(gè)9。

目前，國(guó)內(nèi)還沒有制備這種大質(zhì)量高純鍺晶體的能力。

不過，在十余年尋找暗物質(zhì)過程中，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)攻克了探測(cè)器制造技術(shù)。現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)已能做出商業(yè)級(jí)別的高純鍺探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。

CDEX合作組的高純鍺探測(cè)器，就置身實(shí)驗(yàn)室白色聚乙烯伸縮門后。

它身處重重保護(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，可以吸收熱中子;20厘米厚的高純無氧銅，則用來屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。

二期擴(kuò)建，向成為全球深地科學(xué)研究中心進(jìn)發(fā)

暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)取得的成果，推動(dòng)了我國(guó)相關(guān)基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域迅速發(fā)展，也吸引了更多科研需求。原有的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)要升級(jí)，還有核天體物理實(shí)驗(yàn)、深地巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)……中國(guó)科學(xué)家渴望著這樣一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)空間。

4000立方米，顯得越發(fā)捉襟見肘。

2014年，清華大學(xué)和雅礱江公司繼續(xù)合作，開挖錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程。

做這樣一個(gè)大工程，光有科學(xué)家團(tuán)隊(duì)是不行的。他們必須充分整合資源，找到靠譜的合作伙伴，協(xié)同前進(jìn)。

好在，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室被列入了國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“十三五”規(guī)劃。它的正式名稱，叫極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

從實(shí)驗(yàn)室一期出來，往西端走上500米左右，就到了實(shí)驗(yàn)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(gè)不同的主實(shí)驗(yàn)廳和其他公共區(qū)域。

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任程建平曾對(duì)筆者打過比方：如果實(shí)驗(yàn)室一期是一套別墅的話，那么實(shí)驗(yàn)室二期就是一個(gè)小區(qū)。小區(qū)內(nèi)，要容納更多的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

但新的難題接踵而至。比如說，通風(fēng)。

二期實(shí)驗(yàn)空間從一期的4000立方米增加到了30萬立方米，在理論計(jì)算和研討以后，建設(shè)團(tuán)隊(duì)決定安裝三根800毫米管徑的聚乙烯材質(zhì)的通風(fēng)管道，從西端雅礱江畔的攔污壩平臺(tái)經(jīng)由排水洞輸送新風(fēng)到實(shí)驗(yàn)大廳，全長(zhǎng)9公里。

但是自錦屏水電站發(fā)電之后，這條排水洞，實(shí)際上處于半廢棄狀態(tài)。洞內(nèi)沒有照明和通訊設(shè)備，有淤泥和涌水，有廢棄的風(fēng)機(jī)、龍門架、鋼筋、混凝土殘?jiān)€有多處深坑、圍堰、涌水點(diǎn)和欄壩。2016年年初，建設(shè)團(tuán)隊(duì)中的清華大學(xué)薛濤老師帶領(lǐng)兩位工程師，穿著連體防水服，帶著對(duì)講機(jī)、安全繩、救生衣、電筒和鐵鍬，進(jìn)入排水洞勘察。3個(gè)小時(shí)，他們穿過淤泥，淌過流水，一點(diǎn)點(diǎn)摸清排水洞洞內(nèi)情況，寫成了排水洞勘察報(bào)告，為通風(fēng)管道的修建，奠定了前期基礎(chǔ)。

現(xiàn)在，不同的科研團(tuán)隊(duì)，帶著他們各自待解的謎題，等待進(jìn)入擴(kuò)建后的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。

5月下旬，筆者來到地下實(shí)驗(yàn)室二期B廳。在尚未完全建好的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，上海交大牽頭的PandaX合作組已經(jīng)緊鑼密鼓開始了工作。

探測(cè)暗物質(zhì)是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)性項(xiàng)目，其他國(guó)家也在發(fā)力。這讓科研人員不得不分秒必爭(zhēng)。

PandaX實(shí)驗(yàn)升級(jí)后的4噸量級(jí)的液氙探測(cè)器正在緊張調(diào)試運(yùn)行，等候暗物質(zhì)的“造訪”。

“我們?cè)诓粩嗟亟咏嫦唷！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理與天文學(xué)院助理研究員王舟說。不管是合作還是競(jìng)爭(zhēng)，人類都在為拓展認(rèn)知邊界而努力。但在他們內(nèi)心，還是存著為國(guó)爭(zhēng)光的念頭。“我們想在人類科學(xué)史上，留下屬于中國(guó)人的一筆。”這位年輕的女科研人員說。

CDEX的實(shí)驗(yàn)也會(huì)升級(jí)到百公斤級(jí)甚至噸級(jí)的高純鍺陣列探測(cè)器，將探測(cè)靈敏度再提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。合作組的實(shí)驗(yàn)大廳中，近八層樓高的液氮罐已矗立在基坑內(nèi)。罐內(nèi)，將要放入1000個(gè)高純鍺探測(cè)器。

“我們特別有信心，10年后，中國(guó)會(huì)有一個(gè)全球聞名的地下實(shí)驗(yàn)室。”李元景說得興奮。他設(shè)想著，把錦屏地下實(shí)驗(yàn)室變成全球深地科學(xué)研究中心。