錦屏大設施，世界頂級地下實驗室

侯宏偉

2023年12月 ，有一個神秘的地下實驗室投入科學運行，吸引了全世界的關注。

它被稱為“世界最深”：在錦屏山下，它的垂直埋深有2400米；它被稱為“世界最大”：有33萬立方米的空間；它的宇宙線通量最小，僅為地表的一億分之一。

在這個實驗室里，有全球最大的物理實驗室液氮恒溫器，容積相當于一個標準游泳池；有全球最長距離的新風供風系統(tǒng)，每天可送新風45000立方米。

它就是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，簡稱“錦屏大設施”。

有“二”就有“一”，錦屏地下實驗室一期早在2010年就已建好。十幾年來，已有多個科研團隊在這里取得了近30項國際領先成果，張震宇所在的清華大學CDEX“中國暗物質實驗合作組”就是其中之一。尋找暗物質，聆聽來自宇宙的聲音，張震宇眼中的錦屏大設施有什么特別之處呢？

此“深”非彼“深”

“垂直埋深”2400米，是從地上往地下直著挖這么深嗎？

不是這樣的。我們從錦屏山腳下進入實驗室，完全是平地行走。這個“2400米”是指實驗室的頂部有2400米高的錦屏山巖石。

如此獨特的“深”，為開展多項科學研究創(chuàng)造了條件非常優(yōu)越的環(huán)境，其最大的優(yōu)勢之一，是為實驗設備的運輸提供了先天條件，再大、再重的實驗設備也能很方便地運送到實驗室。

國際上許多地下實驗室是基于礦井建成的，科研人員想要進入實驗室，有時甚至需要與采礦工人共乘垂直電梯。這樣一來，如果想要把一些大個頭兒的設備運下去，就會受到限制。

“深”藏不“透”

為什么要把錦屏大設施建在這里呢？因為這里的“深”有利于屏蔽宇宙線，使得實驗室的宇宙線通量僅為地面的一億分之一。也正因如此，錦屏大設施被稱為“研究暗物質的絕佳場所”。

在暗物質探測實驗中，最重要的一個指標就是信噪比（信息與噪聲的比率），我們需要的是一個受噪聲干擾盡可能小的實驗環(huán)境。

在地面上，暗物質探測器會接收到各種各樣的信號，包括宇宙射線、環(huán)境中的放射性同位素等釋放的粒子等。我們稱這些信號為“本底”。在實驗中最難的是，無法區(qū)分我們想要的信號和這些本底信號。如果有太多無關的本底信號，我們想要觀測的信號就會被淹沒掉。

地下實驗室就不一樣啦——

·2400米厚的巖石阻擋了大量的宇宙射線；

·錦屏山巖體主要由大理巖構成，自身輻射低；

·實驗室創(chuàng)新使用了10層復雜結構做的“防護罩”，屏蔽了山體產生的水和氡氣。

就這樣，“本底”降低了，“信噪比”提高了，探測器就更容易得到我們想要的信號。

通俗地說，或許好不容易有一個暗物質的信號，可是淹沒在高“本底”中，我們根本發(fā)現(xiàn)不了它。

有一種充滿能量的“暗”，叫“暗物質”

普通物質，是我們看得見、摸得著、能發(fā)生相互作用的物質。

暗物質，我們看不見、摸不著，也幾乎不會與普通物質發(fā)生相互作用。但是它會參與引力相互作用。

我們最初意識到暗物質可能存在，是源于天文學上的一些實際觀測與用牛頓力學等理論給出的解釋不相符，比如銀河系外側的一些天體不應該轉得那么快，或者它不應該在那個位置，但是現(xiàn)在它確實轉得那么快、在那個位置。為什么會這樣？肯定是有東西在“吸引”著它，這可能就是暗物質，于是科學家提出了“暗物質模型”。

可以肯定暗物質是存在的嗎？

現(xiàn)在還不能這么說。準確地說應該是“現(xiàn)在的天文學和宇宙學觀測強烈暗示著暗物質的存在，但我們缺乏進一步的觀測手段。”天文學的觀測能夠提供一些暗物質存在的間接證據(jù)，但我們還沒有直接“看”到暗物質。

現(xiàn)在的主流模型認為，宇宙物質中，普通物質僅占5%，絕大多數(shù)都是暗物質、暗能量在起作用。為了解釋天文現(xiàn)象，更深入地認識自然界，現(xiàn)在我們正在做的就是想辦法觀測暗物質，看到暗物質。

“暗能量”又是什么？

暗能量是另一種東西，它比暗物質還要虛無縹緲。針對目前觀測到的宇宙加速膨脹的現(xiàn)象，目前最為流行的假說是暗能量在起作用。

尋找宇宙幽靈“暗物質”

我們現(xiàn)在研究暗物質，主要有以下三種途徑。

在錦屏大設施，你們是怎么做暗物質探測實驗的？

我們每天觀測探測器的信號，記錄下來，然后通過統(tǒng)計學分析，做出推測。通過在錦屏大設施中開展的十幾年的實驗，我們已經取得了很多重要的成果。

暗物質探測器聽起來好神秘啊！

這些探測器不僅神秘，還很精密。對探測器進行相關操作，必須隔著手套箱并在氮氣的保護下進行。

具備“極低環(huán)境氡析出”“極低環(huán)境輻射”“超低宇宙線通量”“超潔凈空間”等多種優(yōu)勢的錦屏大設施，可以盛放更多更大的設備，除了能開展眾多前沿物理基礎實驗，還為其他科學研究提供了一個開放共享的平臺。未來，它將發(fā)展成涵蓋粒子物理、核天體物理、宇宙學、生命科學、巖石力學等多學科交叉的世界級深地科學研究中心，助力國家科創(chuàng)平臺實現(xiàn)跨越式提升，對我們國家探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)科技變革、推動科技創(chuàng)新具有非常重要的意義。