十年夢圓 打造世界最深地下實驗室
●新聞中心記者 劉蔚如
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“中國錦屏地下實驗室”揭牌儀式現(xiàn)場 （攝影 郭海軍）
2008年8月8日，當(dāng)世人的目光都聚焦于北京奧運會開幕式時，我校工物系副教授岳騫卻被一則不太起眼的消息深深吸引住了：“世界第二深埋隧道———錦屏山交通隧道全線貫通”。
岳騫立刻想到，這可能是我國建設(shè)自己的極深地下實驗室的一個契機。很快，他通過朋友找到了修建錦屏山隧道的二灘公司的工作人員，根據(jù)從他們那里初步了解到的信息，岳騫意識到，我國一直沒有很好的地下實驗室的情況有可能被改變。
利用錦屏山隧道建設(shè)地下實驗室的想法，得到國內(nèi)粒子物理、天體物理領(lǐng)域同行的積極響應(yīng)。
校長顧秉林，校黨委書記胡和平，副校長康克軍、程建平等學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)高度重視這一情況，認(rèn)為建設(shè)我國自己的極深地下實驗室，對于推動相關(guān)領(lǐng)域重大基礎(chǔ)性前沿課題的自主研究具有重大意義。校領(lǐng)導(dǎo)先后多次前往錦屏山隧道考察，并與二灘公司進行溝通和探討。2009年5月8日，我校與二灘公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，決定在錦屏山隧道建設(shè)我國第一個極深地下實驗室。
從去年8月確定實驗室選址，到今年1月完成全部巖石挖掘工作，再到6月完成實驗室配套工程建設(shè)，在我校和二灘公司的密切合作與共同努力下，實驗室的建設(shè)工作迅速而有條不紊地推進著。12月12日，中國錦屏地下實驗室投入使用儀式在四川雅礱江錦屏水電站隆重舉行，標(biāo)志著這個世界巖石覆蓋最深的實驗室、也是我國首個極深地下實驗室正式啟用。
為了揭開現(xiàn)代物理學(xué)“烏云”之謎
歐洲物理學(xué)家在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時曾說，物理學(xué)美麗而晴朗的天空被“兩朵烏云”籠罩了。而對這“兩朵烏云”的探究，使得量子論和相對論被發(fā)現(xiàn)，為物理學(xué)研究帶來革命性的變革，極大地推進了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識。
如今，在21世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)的晴朗天空中也有著“兩朵烏云”———暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)和暗能量這“兩朵烏云”之謎，將可能導(dǎo)致一場新的物理學(xué)革命，促成人類對物質(zhì)世界和宇宙認(rèn)識的又一次重大飛躍。
暗物質(zhì)是指那些基本不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì)，人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應(yīng)得知它的存在。現(xiàn)代天文學(xué)研究表明：構(gòu)成宇宙質(zhì)量的主要成分是暗能量，約占宇宙總質(zhì)量的73%。但是人類對暗能量基本沒有太多認(rèn)識，目前也沒有比較成熟的理論加以描述。宇宙其余質(zhì)量部分則由物質(zhì)構(gòu)成，其中發(fā)光物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的4%，對于這部分物質(zhì)，人類已經(jīng)有了較為廣泛和深入的了解，基本可以由粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型來描述。而對于占宇宙總質(zhì)量約23%的暗物質(zhì)，目前人類的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
我校副校長、暗物質(zhì)實驗組負(fù)責(zé)人康克軍介紹說，由于暗物質(zhì)粒子與探測器發(fā)生相互作用的幾率非常小，因此開展探測實驗時需要將大量的背景信號去掉，才可能測量到真正的暗物質(zhì)。在這些需要去掉的背景信號中，有很多是由宇宙線引起的，高能量的宇宙線可以穿透地面到達(dá)很深的地下。因此，暗物質(zhì)探測實驗需要將探測器放置在很深的地下實驗室里，利用巨大的山體巖石或地表土壤將宇宙線的通量盡可能降低。可以說，極深地下實驗室是開展暗物質(zhì)直接探測工作的必要場所。
在國際上，美國、英國、法國、意大利、加拿大、日本等許多國家都已經(jīng)建立起地下實驗室。正因如此，長期從事暗物質(zhì)探測研究、卻一直苦于國內(nèi)沒有很好的地下實驗室的岳騫，才會在看到錦屏山隧道貫通的消息時顯得格外激動。
十年漫漫探尋路
從2000年我校開始參與暗物質(zhì)研究算起，已經(jīng)有十年的時間了。這十年間，在國內(nèi)尋找合適的地下實驗室的努力一直沒有間斷。
沒有地下實驗室，許多相關(guān)領(lǐng)域的實驗研究就無法開展。為了繼續(xù)暗物質(zhì)的探測研究，2002年，我校研究人員開始參與到韓國地下實驗室的建設(shè)中。這個位于韓國襄陽（Y2L）的地下實驗室建在一座抽水蓄能電站地下廠房附近的隧道中，約有700米深，在地下實驗室中屬于比較淺的，而且實驗室地處荒山野嶺，周圍幾乎沒有人居住，條件非常艱苦。
在這種情況下，我校研究人員一方面協(xié)助韓國同行利用碘化銫探測暗物質(zhì)，另一方面也在2003年提出了利用高純鍺探測暗物質(zhì)的研究計劃。他們在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，國際上的暗物質(zhì)實驗幾乎都集中在高質(zhì)量區(qū)，而理論分析顯示，暗物質(zhì)的質(zhì)量分布是非常寬的。研究人員同時發(fā)現(xiàn)，探測器的能量閾值不夠低是限制暗物質(zhì)探測實驗向低能量區(qū)發(fā)展的主要原因，于是他們制定了利用低能量閾值的探測器測量低質(zhì)量區(qū)間暗物質(zhì)的研究計劃，這一研究成果于2004年發(fā)表在《高能物理與核物理》雜志上。
與此同時，大家也一直沒有放棄在國內(nèi)尋找適合建設(shè)地下實驗室的地點的努力。“河北的峪耳崖金礦，還有北京、東北的一些煤礦，我都打電話去問過。雖然有些礦很深，但條件都太差，沒有穩(wěn)定的電力、網(wǎng)絡(luò)和潔凈的空氣系統(tǒng)等等，這些都使得基本的實驗條件無法得到保障，甚至有些連生活條件都不具備，所以這件事情一直進展很慢。”對此，岳騫深感無奈。
實際上，國內(nèi)一些相關(guān)研究領(lǐng)域的科學(xué)家們很早就開始尋找合適的地下實驗室了。因為地下實驗室不僅是開展暗物質(zhì)研究的重要場所，也是粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域一系列重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場所，還是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等學(xué)科開展相關(guān)實驗研究的重要環(huán)境和低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測的良好環(huán)境。我校副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平一直非常關(guān)注國內(nèi)地下實驗室的尋找建設(shè)情況，他介紹說：“好的地下實驗室，特別是極深地下實驗室可以提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺，是一個國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施。”
經(jīng)歷了十余年艱苦的探尋，機會終于到來。二灘公司為建設(shè)大型水電站而修建的兩條交通隧道全線貫通，隧道全長17.5公里，巖石覆蓋厚度大于1500米的部分超過70%，其中垂直巖石覆蓋最深的地方達(dá)2400米，這是非常理想的極深地下實驗室建設(shè)場所。
清華精神 二灘速度
2009年2月新學(xué)期開學(xué)的第一天，程建平帶領(lǐng)我校研究人員前往四川，開始就建設(shè)地下實驗室的事宜與二灘公司協(xié)商。當(dāng)了解到想在錦屏山隧道建設(shè)實驗室并從事研究工作的是清華工物系的老師們，二灘公司方面的第一反應(yīng)就是 “這是做核實驗，不僅可能耽誤水電站建設(shè)工期，而且可能存在危險的輻射和涉及國家安全問題，很困難”。
在進一步的接觸和溝通中，學(xué)校方面詳細(xì)地向二灘公司解釋了暗物質(zhì)探測研究的基礎(chǔ)前沿屬性和重大意義，消除了他們的誤解和疑慮，建設(shè)地下實驗室的想法得到二灘公司的高度重視和大力支持。
長期以來，我國高校和企業(yè)的科研合作多集中在可以產(chǎn)生現(xiàn)實經(jīng)濟效益的應(yīng)用研究領(lǐng)域，而基礎(chǔ)研究領(lǐng)域普遍存在著資金短缺的現(xiàn)象。程建平強調(diào)：“以國家現(xiàn)階段的國力和財力，不可能投入那么大的資金到基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，在這種情況下，企業(yè)、社會等各方面如果能夠?qū)A(chǔ)研究有所支持的話，將對我國基礎(chǔ)研究的發(fā)展起到很大的推動作用。二灘公司與清華的合作，開創(chuàng)了企業(yè)支持高校開展基礎(chǔ)研究的新模式。”
在雙方領(lǐng)導(dǎo)的高度重視下，實驗室建設(shè)工作迅速推進。2009年8月，實驗室地址確定。地質(zhì)構(gòu)造和巖石取樣分析結(jié)果表明，所選地點周圍巖石整體由大理巖構(gòu)成，其天然放射性雜質(zhì)含量非常低，一些主要巖石放射性核素含量低于北京地表正常環(huán)境水平的約幾十分之一到幾百分之一，是一個非常好的實驗環(huán)境。
為了不影響整體工期，在二灘公司的協(xié)助下，所有參與實驗室挖掘工作的施工人員都加班加點，終于在今年1月完成了全部的巖石挖掘工作。6月，所有實驗室配套工程完工并通過評審和驗收，標(biāo)志著中國錦屏地下實驗室正式建成。相比之下，美國在2008年決定投資6億多美元建設(shè)深達(dá)2300米的杜賽爾（DUSEL）地下實驗室，預(yù)計在2018年才能建成。我校與二灘公司以實干的精神、密切的配合和高效的工作，在如此短的時間內(nèi)完成地下實驗室的建設(shè)，創(chuàng)造了 “清華精神、二灘速度”的奇跡。
建成的地下實驗室位于錦屏交通隧道中部，空間容積約4000立方米，包括入口隧道、連接隧道和主實驗廳三部分，其中主實驗廳長約40米，寬約6.5米，高度為7.5米。主實驗廳恒溫恒濕，達(dá)到10萬級空氣凈化要求，分為暗物質(zhì)探測實驗區(qū)、低本底測量實驗區(qū)、電子學(xué)與信號系統(tǒng)工作區(qū)。
同時，在位于隧道東端出口的監(jiān)控樓里，還有一個洞口實驗室用于實驗數(shù)據(jù)存儲、通訊，實驗設(shè)備維護，實驗材料準(zhǔn)備與實驗人員居住等。洞口實驗室采用專用的光纖網(wǎng)絡(luò)與地下實驗室相聯(lián)，采集并存貯地下實驗室各類設(shè)備信號數(shù)據(jù)，同時通過視頻系統(tǒng)監(jiān)控地下實驗室內(nèi)的各項實驗活動。平時，實驗人員可以在洞口實驗室工作和生活，在調(diào)試實驗設(shè)備時下到地下實驗室中。而在洞口實驗室與我校工物系的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心之間，通過電信專線建立了數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，可以記錄、存貯和管理實驗數(shù)據(jù)，并按照實驗合作研究的要求與國內(nèi)外合作單位共享實驗數(shù)據(jù)。
評價地下實驗室性能的最重要參數(shù)就是宇宙線通量水平。根據(jù)初步模擬和測量，中國錦屏地下實驗室的宇宙線通量約為每年每平方米小于100個宇宙線的水平，約為地面水平的億分之一，是非常“干凈”的實驗環(huán)境。此外，實驗室可以開車直達(dá)，比在礦井中建設(shè)的地下實驗室交通更為便捷，錦屏隧道周圍的配套工作生活設(shè)施完善，這些因素使得中國錦屏地下實驗室可以稱得上是國際上綜合條件最好的極深地下實驗場所。
推動重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究
如今，由我校副校長康克軍擔(dān)任首席科學(xué)家，清華大學(xué)、四川大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、南開大學(xué)和二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司等單位參與的中國暗物質(zhì)實驗合作組已將一組高純鍺探測器安裝在中國錦屏地下實驗室中，并啟動10kg高純鍺陣列探測器開展暗物質(zhì)實驗的研究計劃。中國暗物質(zhì)實驗合作組采用的高純鍺探測器由純度高達(dá)99.9999999999%（簡稱12個9）的高純鍺晶體制成，是目前人類可以得到的純度最高的晶體材料，預(yù)期首先在較低質(zhì)量區(qū)間得到國際一流的暗物質(zhì)實驗結(jié)果，并為開展未來噸量級高純鍺測量暗物質(zhì)實驗奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
與此同時，中國暗物質(zhì)實驗合作組還開展了高純鍺探測器的自主研制計劃，自主研制高純鍺探測器可以大幅降低高純鍺探測器的制造成本，有利于開展自主噸量級暗物質(zhì)實驗研究并推動我國先進半導(dǎo)體探測器的研制。康克軍強調(diào)：“開展高純鍺探測器的自主創(chuàng)新研究可以提升我國高端產(chǎn)業(yè)競爭力，也能夠促進暗物質(zhì)等重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究。”
地下實驗室作為低宇宙線強度、低輻射本底的特殊環(huán)境，還可以建設(shè)超低本底放射性核素活度的測量平臺，為我國的核輻射防護、國土海洋放射性水平普查、超純材料研制等方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)性測試平臺。
除此之外，中國錦屏地下實驗室還可以開展宇宙線通量、環(huán)境本底、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的深入研究，為我國未來建設(shè)國家級的大型極深地下科學(xué)與工程實驗室奠定堅實的工作基礎(chǔ)。
綜合來看，地下實驗室是一個國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施，為國家提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究平臺。中國錦屏地下實驗室的建成啟用，標(biāo)志著我國已經(jīng)具備開展物理學(xué)重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究的自主地下實驗平臺，對于推動我國重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究意義重大。
來源：新清華 1824期
