中國極深實驗室：探索地下2400 米

主導宇宙演化的洪荒之力到底是什么？探測占宇宙85%的暗物質對揭開宇宙奧秘至關重要，為了研究看不見摸不著的暗物質，中國建了首個極深地下實驗室——它垂直巖石覆蓋達2400 米，是世界最深的實驗室。

主導宇宙演化的洪荒之力到底是什么？探測占宇宙85%的暗物質，對揭開宇宙奧秘至關重要，將為人類認識宇宙帶來革命性的突破。科學研究苦苦探尋的答案，也許不在浩渺星空，而在地下2400 米深處。

中國錦屏地下實驗室內部圖

科學家在地下2400 米找什么

在深藏于四川涼山彝族自治州錦屏山地下2400 米深處的中國錦屏地下實驗室里，伴隨著原子核信號放大后的微微閃光，科研人員在不間斷運行的儀器旁，每時每刻的工作就是“找東西”。他們在找什么？找宇宙中最“弱”的光——暗物質，它在物質起源和宇宙演化過程中具有重要地位的物質。眾多觀測數(shù)據(jù)表明，暗物質約占整個宇宙物質質量的85%。但它看不見、摸不著，幾乎不和任何物體發(fā)生作用。

為了捕捉到神秘又“靦腆”的暗物質，21 世紀以來，國際上相繼開展了20 多個探測實驗。人們相信：誰先揭開暗物質的面紗，誰就將促成人類對物質世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。

當前，暗物質探測方法大體分為“上天”“入地”和“人造暗物質”三類：“上天”指間接探測實驗，為減少地球大氣層的干擾，通常在太空進行；“入地”指直接探測實驗，為減少宇宙線的干擾，通常在地下實驗室進行；“人造暗物質”指加速器實驗，即通過普通粒子的對撞來產生暗物質粒子，主要在歐洲核子中心的大型強子對撞機上進行。顯而易見，中國錦屏地下實驗室開展的研究就屬于“入地”。

攻克極限挑戰(zhàn)，建成中國首個世界最深的地下實驗室

中國錦屏地下實驗室的誕生并不容易。據(jù)悉，錦屏山隧洞是世界上埋深最深的隧道之一，建設過程中多次遭遇大流量突涌水，遭遇較大規(guī)模巖爆1200 多次，被國內外專家稱為地下工程施工中的“癌癥”。在此基礎上擴挖建設實驗室，稍有不慎便會再次引發(fā)巖爆、塌方，對原有隧洞造成巨大破壞，甚至對錦屏水電工程建設造成極大影響。

清華大學和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司攻克極限挑戰(zhàn)，于2010 年建成了世界最深的地下實驗室——中國錦屏地下實驗室。

2010 年12 月，中國錦屏地下實驗室建成投運。在這里，2400 米的巖石隧道就像一個暗室，利用山體阻擋宇宙射線的干擾，為科學實驗提供最“純凈”的環(huán)境。與國際上其他地下實驗室相比，這里巖石覆蓋最深，宇宙線通量最小，可用空間最大，并且具備交通便捷、電力及水源充足的優(yōu)勢。

作為前瞻引領型的重大科技基礎設施，中國錦屏地下實驗室為中國深地基礎科學研究提供了重要平臺，成為新的國之重器。實驗室里放置的探測器中的靶粒子會和暗物質“相撞”，科學家們把兩者相互作用后的各種參數(shù)記錄下來，從中統(tǒng)計規(guī)律，再利用這些蛛絲馬跡拼湊出暗物質的信息。

在地下實驗室里，中國取得了頗多成果。2013 年，CDEX合作組發(fā)表了我國首個暗物質直接探測實驗結果。2014 年，給出點電極高純鍺暗物質探測方面國際最靈敏實驗結果，這一結果利用相同探測技術，確定性地排除了美國CoGeNT 實驗組給出的暗物質存在區(qū)域。2020 年12 月，在地下實驗室建成了世界最強流深地核天體物理加速器，并成功出束。科研團隊對“圣杯”反應（在恒星的演化過程中，會產生從碳-12 到氧-16 的反應，它決定了宇宙中的碳氧含量比，直接影響著恒星的演化進程）等進行直接測量，靈敏度、統(tǒng)計精度、曝光量、能量范圍均為國際最高水平。今年10 月，我國科研人員驗證了鈣來源于碳氮氧循環(huán)的突破反應這一假說，成功解釋了觀測到的鈣元素的起源問題，強有力地支持了第一代恒星的弱超新星爆模型，并將為詹姆斯·韋布望遠鏡未來觀測提供可靠的數(shù)據(jù)。此外，我國科研人員還在暗物質年度調制、暗光子、軸子等不同暗物質模型下給出了一系列國際先進成果，保持國際“并跑”。

“打造中國深度、探索未知前沿”

習近平總書記在二十大報告中指出：“加快實施一批具有戰(zhàn)略性全局性前瞻性的國家重大科技項目。”

錦屏大設施科學部副主任、清華大學工程物理系副教授的馬豪對此深有感觸。他指出，借助錦屏地下實驗室，過去10 年間，我國科研人員獲得了一系列國際一流水平的暗物質研究成果，實現(xiàn)了我國自主暗物質實驗研究從無到有、從跟跑到并跑的跨越。2024 年錦屏地下實驗室二期建成后，實驗室可用空間將由之前的4000 立方米增加至30 萬立方米。在未來5 年，暗物質探測器將由目前的10 公斤量級增加至300 公斤量級，將為清華大學開展暗物質和中微子探測實驗提供絕佳平臺。相信會有更多的國際領先的實驗成果不斷地從錦屏地下實驗室里涌現(xiàn)。

“在世界前沿科技的舞臺和先進國家同場競技，我們將以沖刺的速度跑馬拉松。”馬豪說，“打造中國深度、探索未知前沿，是我們追夢錦屏的奮斗目標。”