走进中国锦屏地下实验室：等待那束最弱的光

正在寻找暗物质的中国金平地下实验室正在等待一场将载入史册的碰撞。

我们能找到暗物质吗？没人能确定。没有人能给出确切的时间表。唯一确定的是这件事必须做。

研究人员早就发现，如果只有人类探测到的物质存在，宇宙就不应该是现在的样子。一定有别的事情在起作用。暗物质的名字是因为它不发射任何波段的电磁波，也不与任何电磁波相互作用。它没有太多的“存在感”，但它对人类对宇宙的认知也有如此明显的影响——迄今为止的研究和分析表明，暗物质占宇宙物质总质量的80%以上。

发现和研究暗物质可能会引发物理学革命。

工程奇迹成为上帝赐予的机会

暗物质粒子总是穿透我们的身体，但是我们的身体是无知和无意识的。即使是最精密的仪器也能捕捉到它与原子核碰撞产生的微弱信号。

这些信号分散在宇宙射线和探测器碰撞产生的大量背景信号中。它就像一束光。只有在一个足够暗的房子里，有足够精致的仪器，它才能“看到”一切。

研究人员已经为这所够暗的房子找到了一个完美的地址。

从凉山西昌乘公交车到南方，经过水漫湾，进入锦屏水电站专用公路。一路上，隧道与隧道相连，高山托住高山。大约两个小时后，锦屏山隧道的入口被发现。这里挂着“中国金平地下实验室”的牌子。

中国著名水电专家、中国科学院两院院士潘·曾这样描述锦屏的环境:“峰如劈河之斧，路如盘于洞中之绳。”

雅砻江流向木里、盐源和冕宁三县的交界处。被锦屏山阻挡，它突然转向东北，形成一个150公里长的锦屏河湾。锦屏一、二级电站位于大河的东西两端。连接两个电站的锦屏山交通隧道已成为这一大型水利工程的两条主干道。

它们穿过最大深度接近2400米的锦屏山底部。深度超过1500米的隧道段占隧道总长度的73.1%。2008年8月8日，两条17.5公里长的金屏山交通隧道竣工，建成两条隧道。当时的报道称，这是汹涌澎湃的雅砻江上的一个奇迹。

在科研人员眼中，工程奇迹已经成为“天赐之物”。岩层是宇宙射线的天然屏蔽层。

此前，中国没有自己的地下实验室。"许多相关研究不能进行，或者只能与国外合格的实验室联合进行。"清华大学常务副校长、中国金平地下实验室主任程建平教授告诉《科学日报》。

2009年，清华大学与二滩公司(现为雅砻江流域水电开发有限公司)签署合作协议，在锦屏山隧道中部建设实验室。2010年12月，金平地下实验室投入使用，成为中国第一个深层地下实验室和世界上最深的地下实验室。

现已确定，锦屏地下实验室的宇宙射线通量可降低到地面的1000万至1亿，是目前世界上最低的地下实验室。此外，实验室周围岩石的放射性水平也很低。“可以说，中国金平地下实验室拥有世界级的实验环境。”程建平说。

目前，世界上有几十个地下实验室在运行和建设，主要分布在发达国家。地下实验室是开展粒子物理、天体物理学和宇宙学领域一些重要基础前沿课题的重要研究场所和良好的低背景环境。

更干净、更精致

车辆一头扎进隧道，步行了约20分钟到达锦屏地下实验室一期的大门。事实上，没有老司机带路，你很难在昏暗的隧道里找到这个低调的地方。

实验室一期工程的体积为4000立方米。目前，中国金平地下实验室已批准运行两个暗物质实验，一个是清华大学牵头的CDEX(中国暗物质实验)高纯锗暗物质实验，另一个是上海交通大学牵头的潘达(熊猫计划)液态氙暗物质实验项目。走进实验室，穿过一条狭窄的走廊，我首先看到的是上海交通大学领导的“潘达工程”的暗物质探测装置。他们使用液态氙技术。当暗物质与氙原子碰撞时，氙原子发光并产生*电子。

如果你走得更远，你将进入清华大学领导的CDEX合作小组实验室。他们使用高纯度锗阵列探测器来捕捉暗物质粒子与锗晶体碰撞时产生的信号。

两个项目组使用的方法都是直接探测，即测量暗物质粒子与普通物质直接碰撞所产生的反冲核的数量和能量。

事实上，暗物质的探测主要有三种方法，包括直接探测、间接探测和加速器实验。前者是暗物质相互碰撞和湮灭时产生的标准模型粒子。2015年底发射的中国暗物质探测卫星正在寻找太空中暗物质碰撞的痕迹。在后者中，加速器用于将标准模型粒子加速到高能，然后彼此碰撞，并且通过测量碰撞中的能量损失来推断暗物质的各种属性。

CDEX合作集团的核心设备是隐藏在白色聚乙烯伸缩门后面的高纯锗探测器。它是世界上第一台具有千克级点电极的高纯锗探测器，可以在质量小于10GeV的暗物质研究热点的轻质量区进行暗物质探测研究。

探测器受到严格保护:1米厚的聚乙烯材料用于减速和吸收中子；20厘米厚的铅层，用于屏蔽外部伽马射线；20厘米厚的含硼聚乙烯，用于吸收热中子；20厘米高纯度无氧铜屏蔽外部铅和含硼聚乙烯的伽马射线。

屏蔽，就是给它一个非常黑暗的世界，最好不要泄露一丝外来的光。

经过六年的运行，金平地下实验室的成就将中国的研究团队推到了寻找暗物质的前沿:2013年，CDEX实验组在国际舞台上发表了中国首个独立的暗物质研究成果，达到了国际第一阵营。2014年，CDEX实验组获得了能量低于10GeV的类似探测器的最灵敏实验结果，明确排除了多年来由CoGeNT实验组宣称的暗物质存在区域。2016年，潘达克斯二期500千克液态氙暗物质探测器运行的第一个物理结果发布。在33，000千克/天的曝光量下，没有发现暗物质粒子的痕迹，这为可能的暗物质候选者提供了最新的限制。

虽然暗物质还没有被发现，但它的藏身之处已经缩小了。

别墅将变成住宅区，实验室将变成大型平台。

CDEX合作集团的下一步计划是利用自主研发的高纯锗探测器构建一个10-100千克的高纯锗阵列探测器系统，最后进行吨级高纯锗阵列探测器的暗物质实验，将探测灵敏度再提高两个数量级。

新的探测器阵列将被放置在液氮罐中。液氮罐将被放入一个6层深的“基坑”中。大坑已经挖好，位于锦屏地下实验室二期。

从实验室的第一阶段出来后，再走500米进入实验室，你将到达实验室的第二阶段。它由四个子隧道组成，总体积为300，000立方米，分为八个不同的主要实验室和其他公共区域。

实验室的第二阶段正走向“更黑”，甚至建筑用水泥的辐射量也必须限制在一定范围内。清华大学工程物理系副研究员曾治为此特意选择了一种中热水泥。当每批水泥到达时，团队必须首先使用伽马能谱仪严格测量其辐射水平。“低背景环境的构建是一个综合项目，所有细节都应该考虑在内。”曾治说。

“以前，这里只有一栋别墅。清华大学和上海交通大学就住在这里。现在，国内外的其他科研机构也需要这样的条件。因此，我们必须扩大社区。”程建平做了一个类比。

“社区”的土建工作已经完成。建立一个“小区域”同样困难。当通风问题被放到地下时，它也变得很难解决。

实验室一期工程的通风管道贴在隧道上方的墙上，并延伸至隧道外部。然而，二期实验室要求的通风管道直径较大，不能复制原方法。

通风系统是实验室建设二期的重点工程之一。经过讨论，清华大学和雅砻江公司提出了一个方案:通风管道可以穿过隧道下的排水孔。

为了了解排水隧道的情况，2016年1月底成立了一个调查小组。成员们穿着防水服、救生衣、头盔、探照灯、对讲机和铲子，进入了洞内。

在4小时内，调查组走了2.6公里。他们最终确认风道的安装和施工可以在排水孔进行。

现在，“社区”建设进展顺利。程建平表示，随着“社区”的建成，金平地下实验室有望逐步发展成为面向世界开放的国家基础研究平台。越来越多的国内外研究团队将来到这个研究大厅，开展暗物质、中微子、核天体物理学和深部岩石力学领域的研究，并破译前沿基础科学问题的密码。