從四川省涼山彝族自治州首府西昌市出發(fā)，窗外的景色從城市燈火逐漸變?yōu)槊艿纳趾瓦B綿起伏的山巒。蜿蜒曲折的公路漸漸隱沒在大山深處，雅礱江的波濤在耳邊作響。在山路上行駛約兩個(gè)小時(shí)后，車子駛進(jìn)了長17.5公里的錦屏山隧道，并最終到達(dá)了此行的目的地，世界最深、最大的極深地下實(shí)驗(yàn)室——中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
這個(gè)位于錦屏山隧道中部的實(shí)驗(yàn)室，深藏于山體覆蓋厚達(dá)2400米的“極深地下”，這里宇宙線通量只有地面的一億分之一，是全世界最“純凈”的深地實(shí)驗(yàn)室。
2023年12月，來自清華大學(xué)等高校和科研院所的10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組，入駐中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期——極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施（簡稱“錦屏大設(shè)施”），這一大國重器正式投入科學(xué)運(yùn)行。“純凈”的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、便捷的交通、完備的基礎(chǔ)設(shè)施，為開展暗物質(zhì)探測等基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了近乎絕對“安靜”的實(shí)驗(yàn)條件，“聆聽”來自宇宙的微聲。
進(jìn)軍深地 追尋“幽靈”
所謂暗物質(zhì)，是指人類肉眼看不到，且使用天文望遠(yuǎn)鏡和電磁學(xué)手段觀測都無法捕捉到的物質(zhì)。它和暗能量一起，被科學(xué)家們比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云”。暗物質(zhì)研究是當(dāng)前粒子物理學(xué)、宇宙學(xué)、天文物理學(xué)等學(xué)科前沿領(lǐng)域的研究課題，更是突破認(rèn)知邊界、打開人類視野的開拓性研究。
然而，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)發(fā)生作用的幾率極低，直接探測到它十分困難，再加上無處不在的宇宙射線會(huì)極大干擾探測工作，“難度就像在嘈雜的足球場尋找一根針掉落的聲音（暗物質(zhì)碰撞信號(hào)）。”國投集團(tuán)雅礱江公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局副局長申滿斌說。因此，一座能阻擋宇宙射線、實(shí)驗(yàn)環(huán)境輻射本底低的“純凈”實(shí)驗(yàn)室成為探測暗物質(zhì)的先決條件。
此前，美國、日本和歐洲等國都建設(shè)了符合一定條件的地下實(shí)驗(yàn)室。早在2002年，清華大學(xué)就啟動(dòng)了暗物質(zhì)研究。由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)沒有實(shí)驗(yàn)條件，研究團(tuán)隊(duì)只能遠(yuǎn)赴韓國“借用”實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2010年12月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期的建成，填補(bǔ)了我國深地實(shí)驗(yàn)室的空白。2023年12月，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成的錦屏大設(shè)施，成為世界上條件最好的深地實(shí)驗(yàn)室。與國際其他深地實(shí)驗(yàn)室相比，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室?guī)r石覆蓋最深、可用空間最大，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，為開展暗物質(zhì)探測提供了絕佳的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
值得一提的是，與加拿大SNO實(shí)驗(yàn)室、美國Dusel實(shí)驗(yàn)室等礦井型深地實(shí)驗(yàn)室相比，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室依托錦屏水電站的交通隧洞而建，科研人員可自如乘車出入，大型科研設(shè)備也能輕松運(yùn)輸。
極佳的實(shí)驗(yàn)條件催生大量研究成果。大量高水平論文發(fā)表，其中多篇發(fā)表于《Nature》，一項(xiàng)成果獲教育部2022年自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，培養(yǎng)6名“國家杰出青年科學(xué)基金獲得者”。我國暗物質(zhì)研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的跨越，并逐步“交替領(lǐng)跑”世界暗物質(zhì)探測。
2021年初，中國原子能院在三個(gè)多月的時(shí)間內(nèi)，完成錦屏深地核天體物理第一階段實(shí)驗(yàn)，研究成果在2021年院士大會(huì)上，被列為“戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域取得新跨越”成果之一。我國成為世界上第三個(gè)具備開展深地核天體物理研究的國家。
“我們對宇宙中95%的東西還摸不著頭腦，這種好奇心會(huì)驅(qū)使我們?nèi)チ私馕粗I(lǐng)域，認(rèn)識(shí)未知世界。”清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人岳騫說。在錦屏，十多年來，為了不知何時(shí)才能閃現(xiàn)的一道“微光”，科學(xué)家們不舍晝夜地用已知5%的眼界，去探尋95%的未知。
煥然一新 蓄力前行
時(shí)隔一年再次來到錦屏山隧道，冬日自然風(fēng)物并無太大差別；但走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室連接隧道內(nèi)，記者發(fā)現(xiàn)，與剛投運(yùn)時(shí)相比，如今的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室面貌煥然一新。“實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)升級(jí)成‘精裝修’了。”錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任、北京師范大學(xué)黨委書記程建平形象地比喻道。
雖然身處錦屏山地下2400米處，但記者的體感與地面上并無差別，沒有任何壓抑、閉塞的不適感。一進(jìn)入實(shí)驗(yàn)大廳，锃亮嶄新的風(fēng)、水、電等公用設(shè)備映入眼簾，排列有序的管道上躍動(dòng)著金屬光澤。如今，“地下工作者們”已不需要像建設(shè)期間那樣佩戴厚厚的防塵口罩，可以放心“自由呼吸”。這要?dú)w功于長度超9公里的新風(fēng)系統(tǒng)，每小時(shí)可送新風(fēng)45000m3，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)室空間保持空氣清新。
“智慧基建”有著更多細(xì)節(jié)：往來各實(shí)驗(yàn)大廳的電動(dòng)擺渡車，既綠色節(jié)能，也能有效降低燃油尾氣帶來的本底輻射；連接隧道內(nèi)還設(shè)置了多個(gè)充滿科技感的模塊化智能衛(wèi)生間，“在地面上搭建衛(wèi)生間再尋常不過，但在地下有限空間卻難度倍增。”申滿斌說，這種智能衛(wèi)生間可智能化解決廢氣、污水和污物的回收難題，且移動(dòng)方便靈活。
走進(jìn)實(shí)驗(yàn)大廳記者看到，一批具備國際領(lǐng)先水平的實(shí)驗(yàn)探測器在加緊安裝調(diào)試。清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組正在進(jìn)行液氮恒溫器預(yù)冷罐裝工作，施工單位同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)備安裝，以及聚乙烯屏蔽艙最后的設(shè)備調(diào)試工作，不久后，更大的高純鍺探測器將被用于實(shí)驗(yàn)。錦屏百噸級(jí)太陽中微子觀測站的探測器建設(shè)工作正全面展開。深地量子儀器實(shí)驗(yàn)也啟動(dòng)了預(yù)研。
扎根“地心” 碩果盈枝
錦屏大設(shè)施投入科學(xué)運(yùn)行的一年，是不折不扣的“突破年”，全年累計(jì)發(fā)表高水平科研成果30余項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)室在首批10個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目入駐的基礎(chǔ)上，新增超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步擴(kuò)大了錦屏科研大團(tuán)隊(duì)，目前已有暗物質(zhì)、中微子、核天體物理、巖石力學(xué)、引力波、深地醫(yī)學(xué)、量子計(jì)算等前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究正在開展。
14米寬、14米高、65米長的A1廳，宛如一座四通八達(dá)的地鐵站，距離破解天體演化密碼最近的地方——錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)（簡稱JUNA）就坐落于此。
“如果宇宙是一口大鍋，里面不斷地烹調(diào)著各種物質(zhì)，今天的世界就是烹調(diào)的結(jié)果。核天體物理，就是在地球上模擬這口大鍋、構(gòu)建迷你宇宙，JUNA就是一種嘗試。”中國原子能科學(xué)研究院研究員、JUNA首席科學(xué)家柳衛(wèi)平解釋，JUNA要做的，就是通過模擬宇宙的思路，利用我國自主研制的世界上束流強(qiáng)度最大的深地加速器，用一個(gè)原子核去撞擊另一個(gè)原子核，然后生成一個(gè)新的原子核，去測量這個(gè)過程中反應(yīng)產(chǎn)生的不同元素。
JUNA的實(shí)驗(yàn)同樣需要排除宇宙射線干擾。“實(shí)驗(yàn)最忙的時(shí)候，一個(gè)月都沒見到太陽。”JUNA助理研究員南巍笑著說，當(dāng)時(shí)為了加緊獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，常常是白天在地下實(shí)驗(yàn)室工作，再回到地面只能看到月掛中天、點(diǎn)點(diǎn)繁星。但正是這種不分晝夜向更深探索的科學(xué)精神，讓科研團(tuán)隊(duì)在駐扎錦屏的短時(shí)間內(nèi)就取得了諸多科研碩果。
2021年，錦屏大設(shè)施建設(shè)期間，中國原子能科學(xué)研究院和中科院近代物理所在這里建成世界最強(qiáng)流深地核天體物理加速器并成功出束，助力探索恒星能量來源和元素產(chǎn)生的奧秘，其測量靈敏度、統(tǒng)計(jì)精度、曝光量、能量范圍均為國際最高水平，標(biāo)志著我國深地核天體研究步入國際先進(jìn)行列。
今年10月28日，JUNA平臺(tái)完成升級(jí)。“我們對束流能量、探測器效率、實(shí)驗(yàn)靶裝置等進(jìn)行了升級(jí)改造，這有助于進(jìn)一步提升我國的核天體物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛧H競爭力。”南巍說。
錦屏大設(shè)施建設(shè)正酣時(shí)，上海交大實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)就同步在施工現(xiàn)場的“裸洞”里實(shí)驗(yàn)；如今，在上海交大PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室所在的B2廳，靈敏度更高的液氙暗物質(zhì)探測器已經(jīng)投入使用，將讓實(shí)驗(yàn)組在國際競爭中占據(jù)優(yōu)勢。“現(xiàn)階段液氙探測暗物質(zhì)是國際競爭性項(xiàng)目，各國都在發(fā)力，我們要分秒必爭采集數(shù)據(jù)。”國投集團(tuán)雅礱江公司與上海交通大學(xué)聯(lián)合博士后李帥杰緊盯著電腦上出現(xiàn)的一組組數(shù)據(jù)。
今年4月，在物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letter）上海交大PandaX合作組發(fā)表搜尋氙-134雙貝塔衰變的世界最好結(jié)果。11月，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letter）刊登了PandaX實(shí)驗(yàn)對太陽硼-8中微子的首個(gè)測量結(jié)果，這是國際首次較高置信度的觀測，開啟了液氙暗物質(zhì)和中微子探測實(shí)驗(yàn)的新篇章。
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的定位，是綜合性重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái)，也是開放共享的大科學(xué)裝置，為科學(xué)研究提供了更多可能性。
四川大學(xué)華西醫(yī)院聚焦深地原位生命觀測、極低本底輻射環(huán)境細(xì)胞感知識(shí)別、抗衰老及腫瘤治療策略等醫(yī)學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)研究。深地醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)入駐錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，“觀測”來自地球內(nèi)部的“生命脈動(dòng)”。2022年，科研人員把人類腫瘤細(xì)胞放在地下2400米進(jìn)行“培養(yǎng)”，一個(gè)月后，腫瘤細(xì)胞出現(xiàn)了增殖減緩、遷移能力減弱和細(xì)胞周期阻滯等現(xiàn)象，這對于腫瘤治療是一個(gè)好消息。
精益高效 護(hù)航科研
實(shí)驗(yàn)室的安全穩(wěn)定運(yùn)行，離不開日夜守護(hù)的保障與支持。作為共建單位，國投集團(tuán)雅礱江公司專門成立了錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)管理、運(yùn)行維護(hù)和科研保障工作。
“2024年實(shí)驗(yàn)室持續(xù)抓實(shí)‘清單制+責(zé)任制’落實(shí)和雙重預(yù)防機(jī)制建設(shè)，筑牢實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行屏障，我們成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室封閉運(yùn)行管理，全力保障實(shí)驗(yàn)室本底及潔凈度要求，堅(jiān)持打造最高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室管理體系，保障科學(xué)實(shí)驗(yàn)安全高效推進(jìn)，助力建設(shè)世界一流深地科研平臺(tái)。”申滿斌說。
一年來，實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)了清華大學(xué)1725m3液氮恒溫器液氮灌裝，完成超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目裝置安裝，完成微推力測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，助力原子能院JUNA項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)完成實(shí)驗(yàn)升級(jí)……
為避免長期在地下工作的人出現(xiàn)心理壓抑，實(shí)驗(yàn)室特別邀請清華美院，將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境打造成暖色系。在地面，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局為科研團(tuán)隊(duì)配置了設(shè)施設(shè)備齊全的公寓、食堂、健身房、書屋、會(huì)議室等，吃、住、行全方位保障，讓科研人員舒心、放心地潛心實(shí)驗(yàn)。
2024年，第三屆地下和空間粒子物理與宇宙物理前沿問題研討會(huì)、第十七屆物質(zhì)起源與星系演化國際研討會(huì)等大型學(xué)術(shù)會(huì)議在四川召開。先后有300多名國內(nèi)外科研人員赴錦屏實(shí)驗(yàn)室調(diào)研，對錦屏大設(shè)施嘖嘖稱奇。“我們懷著積極的態(tài)度擁抱世界，今后將定期召開深地前沿科學(xué)領(lǐng)域的研討會(huì)，吸引全世界更多科學(xué)家關(guān)注中國，來到錦屏。”程建平說，下一步，計(jì)劃以錦屏地下實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，提出“錦屏深地中微子和暗物質(zhì)研究”國際大科學(xué)計(jì)劃。
記者離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)，實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)依舊燈火通明，科研人員們還在堅(jiān)守崗位、潛心鉆研。
“追光”之路，注定道阻且長。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室作為“國之重器”，正逐步打造成為牽引科技創(chuàng)新的大科學(xué)裝置。以錦屏為起點(diǎn)，科研工作者將繼續(xù)仰望太空，擁抱浩瀚星海，為人類未來打開更加廣袤的空間。
編輯：李華山
