走進中國錦屏地下實驗室：等待那束最弱的光

作者：張蓋倫 來源：科技日報發布時間：2016/9/14 10:31:38選擇字型大小：小中大走進中國錦屏地下實驗室：等待那束最弱的光尋找暗物質的中國錦屏地下實驗室，在等待一次足以載入史冊的碰撞。能不能找到暗物質？誰也無法打包票。誰也無法給出一個確切的時間表。唯一肯定的是，這件事情一定要做。科研人員早已發現，如果僅存在人們已經探測到的物質，宇宙根本不應該是現在這副模樣，一定有什麼別的東西在起作用。暗物質，得名於其不發射任何波段的電磁波，也不與任何電磁波發生相互作用。它如此沒有「存在感」，但又如此鮮明地影響著人類對宇宙的認知——迄今的研究和分析表明，暗物質佔據宇宙物質總質量的80％以上。發現並研究暗物質，可能引發物理學的革命。工程奇蹟，成為天賜良機暗物質粒子每時每刻都在穿透我們的身體，但人體無知無覺。甚至只有最精密的儀器，才可能捕捉到它與原子核碰撞產生的微弱信號。而這些信號，又散佈於宇宙射線與探測器碰撞產生的大量背景信號中。它如同一束微光，只有在足夠黑的房子，用上足夠精巧的儀器，將一切推到極限，才可能「看到」。科研人員為這間足夠黑的房子，找到了一個絕佳地址。從涼山西昌乘車一路向北，經過漫水灣，再駛入錦屏水電站專用公路。一路上，隧道連著隧道，高山夾著高山。約兩個小時後，錦屏山隧道的入口展現眼前。「中國錦屏地下實驗室」的標誌，便掛在此處。中國水電泰斗、兩院院士潘家錚曾經這樣形容錦屏的環境：「峰如斧劈江邊立，路似繩盤洞里行。」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，形成長達150公里的錦屏大河灣。錦屏一、二級電站，就選址在大河灣東西兩端。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脈。它們從錦屏山底部穿過，最大埋深將近2400米，埋深大於1500米洞段占隧道總長的73.1％。2008年8月8日，兩條各17.5公里的錦屏山交通隧道實現雙洞貫通。當時的報道稱，這是在洶湧的雅礱江上創造了奇蹟。工程奇蹟，在科研人員眼中，成為「天賜良機」。岩層，是宇宙射線的天然屏蔽層。此前的中國，並沒有自己的地下實驗室。「許多相關研究無法進行，或者只能與國外有條件的實驗室聯合開展工作。」清華大學常務副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平教授告訴科技日報記者。2009年，清華大學與二灘公司（現雅礱江流域水電開發有限公司）簽訂合作協議，在錦屏山隧道中間位置修建實驗室。2010年12月，錦屏地下實驗室投入使用，成為我國首個極深地下實驗室，也是全球最深的地下實驗室。經測定，錦屏地下實驗室內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，是目前國際上宇宙射線通量最低的地下實驗室。而且，實驗室周圍岩石的放射性水平也很低。「可以說，中國錦屏地下實驗室擁有國際一流的實驗環境。」程建平說。目前，國際上正在運行和建設的地下實驗室有數十個，主要分布在發達國家。地下實驗室是開展粒子物理學、天體物理學及宇宙學等領域一些重大基礎前沿課題的重要研究場所和良好的低本底環境。更凈，更精車輛扎入隧道，前行大概20分鐘，就到了錦屏地下實驗室一期門口。其實，如果不是老司機領路，你很難在昏暗的隧道中，發現這處低調的存在。實驗室一期的容積為4000立方米。目前中國錦屏地下實驗室已經批准兩個暗物質實驗項目在其中運行，一個是清華大學領導的CDEX（中國暗物質實驗）高純鍺暗物質實驗，一個是上海交通大學領導的PandaX（熊貓計劃）液氙暗物質實驗項目。進入實驗室，穿過一條狹長走廊，最先看到的是上海交通大學主導的「PandaX項目」暗物質探測裝置。他們採用液氙技術，當暗物質和氙原子發生碰撞，氙原子會發光，同時也會產生自由電子。再往裡走，就進入了清華大學主導的CDEX合作組實驗室。他們用的是高純鍺陣列探測器，要捕捉的是暗物質粒子與鍺晶體碰撞時產生的信號。兩個項目組使用的方法，都是直接探測，即測量暗物質粒子直接碰撞普通物質引起的反衝核的數量和能量。其實，暗物質探測主要有3種方法，除了直接探測，還有間接探測和加速器實驗。前者是探測暗物質對互相碰撞、湮滅時產生的標準模型粒子。我國2015年年底發射的暗物質探測衛星就正在太空中尋找暗物質碰撞留下的痕迹。後者是利用加速器將標準模型粒子加速到高能量後對撞，通過測量對撞丟失的能量來反推暗物質的各種性質。CDEX合作組的核心裝置高純鍺探測器，藏在白色聚乙烯伸縮門後。它是世界上首個公斤量級點電極高純鍺探測器，可在質量小於10GeV的暗物質研究熱點能區開展輕質量區暗物質探測研究。探測器身處重重保護之下：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，目的是吸收熱中子；20厘米的高純無氧銅，則要屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線……屏蔽，是要給它一個極黑的世界，最好不要漏入一絲外來的光。運行6年，錦屏地下實驗室取得的成果，已經將中國的研究團隊推向了尋找暗物質的前沿：2013年CDEX實驗組在國際上發表了中國第一個自主暗物質研究成果，研究水平達到國際第一陣營。2014年，CDEX實驗組獲得了在10GeV以下能區里同類探測器最靈敏的實驗結果，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質存在區域。2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物質探測器運行的第一個物理結果公布，在3.3萬公斤/天的曝光量下，未發現暗物質粒子蹤跡，對可能的暗物質候選對象給出了最新的限制。雖然暗物質還沒有被找到，但它的藏身範圍，已經縮小。別墅將變小區，實驗室變身大平台CDEX合作組的下一步計劃，是利用自主研製的高純鍺探測器，建設10—100公斤量級的高純鍺陣列探測器系統，並最終開展噸量級高純鍺陣列探測器暗物質實驗，將探測靈敏度再提升兩個量級。新的探測器陣列，將置身液氮罐中；而液氮罐，要被放入一個6層樓深的「基坑」。大坑已經挖好，它所處的位置，在錦屏地下實驗室二期。從實驗室一期出來，再往裡走上500米，就到了實驗室二期。它由4條子隧道構成，總容積達30萬立方米，被分成8個不同的主實驗室和其他公共區域。實驗室二期奔著「更黑」而去，連施工所用水泥的輻射量，都必須限定在一定範圍內。清華大學工程物理系副研究員曾志特別為此選定了一種中熱水泥。每批水泥運來，團隊都要先用伽馬譜儀對其輻射量進行嚴格測定。「低本底環境的營造是一項綜合工程，細節全部都要考慮到。」曾志說。「以前這裡只有套別墅，清華大學和上海交大住在這兒。現在，國內外其他科研機構也需要這樣的條件。所以，我們得擴建出一個小區。」程建平打了個比方。「小區」的土建工作已經完成。建「小區」，同樣困難重重。就連通風這樣的問題，放到地下，也變得棘手。實驗室一期的通風管貼著隧道上方洞壁，一直延伸至洞外。但二期實驗室所需通風管直徑更大，原有方法無法照搬。通風系統是二期實驗室建設的關鍵工程之一。清華大學和雅礱江公司研討後提出方案：通風管可以從隧道下方的排水洞走。為摸清排水洞內情況，2016年1月下旬，一個勘察小組成立了。成員們穿著防水服、救生衣，戴上頭盔，拿上探照燈、對講機還有鐵鍬，進了洞。4個小時，勘察小組走了2.6公里。他們最終確認，風管安裝施工可以在排水洞進行。如今，「小區」的建設正在順利推進。程建平表示，「小區」建成後，錦屏地下實驗室將有望逐步發展成為國家級的面向世界開放的基礎研究平台。越來越多的國內外科研團隊將來到這個科研殿堂，在暗物質、中微子、核天體物理和深地岩石力學等領域開展研究，破譯前沿基礎科學問題的密碼。
推薦閱讀：