7月20日，“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”啟動(dòng)儀式在錦屏山隧道舉行。這標(biāo)志著由清華大學(xué)和雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司共同建設(shè)的中國(guó)首個(gè)、世界最深的極深地下實(shí)驗(yàn)室，正式啟動(dòng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)。
近年來(lái)我國(guó)啟動(dòng)建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，主要有中國(guó)天眼、中國(guó)人造小太陽(yáng)、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等。
什么是暗物質(zhì)？
進(jìn)入17.5公里長(zhǎng)的錦屏山隧道，就像進(jìn)入了一個(gè)洞穴迷宮。穿過(guò)一個(gè)又一個(gè)洞穴，在隧道中央，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室到了。實(shí)驗(yàn)室雖然不大，卻深埋地下2400米，相當(dāng)于7個(gè)四川電視塔的高度。
這個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室目前主要開(kāi)展的是暗物質(zhì)研究。什么是暗物質(zhì)？人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)大多來(lái)自科幻作品，電影《變形金剛》中，機(jī)器人禁閉用暗物質(zhì)作為燃料駕駛飛船在宇宙中穿梭。在世界物理學(xué)領(lǐng)域，暗物質(zhì)一直是個(gè)謎，由于抓取難度大，據(jù)說(shuō)每年3000萬(wàn)次抓取事件，和暗物質(zhì)有關(guān)的不到1次，到目前為止，世界上也沒(méi)有人真正捕捉到它。
暗物質(zhì)在宇宙中無(wú)處不在，只不過(guò)看不到。我們能看到的普通物質(zhì)在整個(gè)宇宙中只占不到5%。剩下95%的都看不到，科學(xué)家們稱(chēng)為暗物質(zhì)和暗能量。這里所說(shuō)的“看不見(jiàn)”，不單說(shuō)用我們的肉眼看不見(jiàn)，而是不論探測(cè)什么波段的電磁波，比如無(wú)線電、紅外線、紫外線、X射線等，都看不到它。
人類(lèi)關(guān)于暗物質(zhì)的研究可以追溯到80多年前，那時(shí)的天文學(xué)家意識(shí)到，星系中恒星的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)在是太快了，如果不是因?yàn)槭裁瓷衩氐牧α孔プ×怂?，它們很有可能飛出去。然而到目前為止，仍然沒(méi)有任何人知道這股神秘的力量是什么。國(guó)際的研究從未停止，但是目前成果很小。
怎么尋找暗物質(zhì)？
發(fā)現(xiàn)并研究暗物質(zhì)，可能引發(fā)物理學(xué)的革命。目前，暗物質(zhì)探測(cè)方法大體分為“上天”“入地”和“人造暗物質(zhì)”三種。
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室探測(cè)暗物質(zhì)的方法屬于“入地”。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室隱藏在3000米高的山體下，巨大的巖層成為宇宙線的天然屏障，宇宙線通量為地面宇宙線通量水平的億分之一，可以屏蔽大量的宇宙線粒子。
由于暗物質(zhì)的聲音實(shí)在太小，探測(cè)難度極大。這就好像在人聲鼎沸的體育場(chǎng)里面看比賽，還要聽(tīng)清一根幾毫米細(xì)的針掉落的聲音。因此要想探測(cè)它，需要把周?chē)母蓴_物質(zhì)去掉。這些干擾物質(zhì)包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。
進(jìn)入錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，穿過(guò)幾道鋁合金門(mén)之后，一個(gè)神秘的空間展現(xiàn)眼前。清華大學(xué)工程物理系研究員岳騫介紹，為了去掉干擾物質(zhì)，這個(gè)神秘空間設(shè)置了重重防護(hù)盔甲。第一層是天然巖石屏障;第二層是50厘米厚的混凝土;第三層是1米厚的聚乙烯，用于屏蔽中子;第四層為20厘米厚的鉛房子，用于屏蔽伽馬射線;第五層20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收熱中子;第六層為10厘米厚的銅房子，用于屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。
在重重保護(hù)的最里面，放置的就是暗物質(zhì)探測(cè)器。“暗物質(zhì)探測(cè)器的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是‘守株待兔’。”實(shí)驗(yàn)室研究人員景明坤說(shuō)，探測(cè)器可以記錄下所有與它產(chǎn)生碰撞的信號(hào)，如果有與普通物質(zhì)不同的信號(hào)，那么就有可能是暗物質(zhì)。“我們正在等待一次可以載入史冊(cè)的碰撞。”
升級(jí)之后有何變化？
2010年，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室投入使用，兩個(gè)中國(guó)科學(xué)家牽頭的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)駐，分別是清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)、上海交通大學(xué)牽頭組織的PandaX實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)這些年的研究，取得了一系列研究成果，在較短的時(shí)間內(nèi)使我國(guó)暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)從無(wú)到有，研究水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，由“跟跑”變成“并跑”。
2014年，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)二期擴(kuò)建工程，地下可用實(shí)驗(yàn)空間由之前的4000立方米增加到30萬(wàn)立方米。今日正式啟動(dòng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)，意味著從校企合作轉(zhuǎn)變?yōu)閲?guó)家平臺(tái)，將為我國(guó)粒子物理和核物理領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)前沿物理問(wèn)題研究提供平臺(tái)支撐。
以清華大學(xué)來(lái)說(shuō)，目前放置的暗物質(zhì)探測(cè)器為10公斤量級(jí)的高純鍺陣列，二期投運(yùn)之后，將采用1噸量級(jí)的高純鍺陣列，是目前的1000倍。“這將極大加速發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的時(shí)間，縮小發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的范圍。”實(shí)驗(yàn)室研究人員說(shuō)。
不光是實(shí)驗(yàn)室面積的擴(kuò)大，還將實(shí)現(xiàn)研究范圍的提升。二期項(xiàng)目將提供一個(gè)近零宇宙線本底的地下輻射計(jì)量平臺(tái)，為我國(guó)建設(shè)完善的輻射計(jì)量基準(zhǔn)提供實(shí)施條件，推動(dòng)海洋科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究，為這些學(xué)科領(lǐng)域提供一個(gè)國(guó)際一流的交叉創(chuàng)新平臺(tái)。
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，項(xiàng)目建設(shè)完成后將具備國(guó)際領(lǐng)先的深地物理實(shí)驗(yàn)綜合條件，有望成為世界深地物理實(shí)驗(yàn)的中心，推動(dòng)我國(guó)開(kāi)展國(guó)際級(jí)大科學(xué)合作，吸引國(guó)內(nèi)外頂尖學(xué)者前往開(kāi)展前沿物理實(shí)驗(yàn)，為取得重大物理突破提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。
【錦屏地下實(shí)驗(yàn)室時(shí)間線】
2009年5月，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，啟動(dòng)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。
2010年12月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式投入使用，標(biāo)志著我國(guó)首個(gè)、世界最深的極深地下實(shí)驗(yàn)室正式建成。
2014年8月，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司簽訂協(xié)議，決定共同建設(shè)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目。
2014年11月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目正式開(kāi)工。
2017年12月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目完成地下巖土工程。
2018年12月，國(guó)家發(fā)展改革委正式批復(fù)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”可行性研究報(bào)告。
2019年7月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
