在世界最深實(shí)驗(yàn)室仰望星空

2024-04-15 07:36:36霍思伊

中國(guó)新聞周刊 2024年9期

霍思伊

2023年7月，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期C廳。圖/新華

穿越17.5公里長(zhǎng)的錦屏山隧道，不仔細(xì)看周圍粗糲裸露的巖層，這里和其他隧道沒(méi)有太大差別。地面硬化過(guò)，車很少，隔一段就有閃著白光的地?zé)艉拖涝O(shè)備。但行駛到隧道中段，會(huì)有一點(diǎn)不同，周遭太安靜了，有涼氣和潮氣順著腳底向上爬。此刻，你已置身世界最深地下實(shí)驗(yàn)室的入口，頭頂是2400米厚的巖層。

這是中國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，位于四川涼山錦屏山的腹部，從隧道一側(cè)入口開(kāi)車到此，只需二十多分鐘，但卻和外面的世界截然不同。地下的輻射極低，和地表相比有上億倍的差距，而在低輻射的“干凈”環(huán)境中，可以探尋關(guān)于宇宙、人類和世界的終極問(wèn)題：宇宙如何演化？人類從哪兒來(lái)？

2023年12月，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期正式投入科學(xué)運(yùn)行，它的全稱是“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”（以下簡(jiǎn)稱“錦屏大設(shè)施”），由清華大學(xué)與國(guó)投集團(tuán)雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)投雅礱江公司”）共同建設(shè)。自中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期建成以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室在前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，成果不斷涌現(xiàn)，已累計(jì)發(fā)表高水平論文120多篇，其中2篇刊發(fā)于《自然》雜志，23篇刊于《物理評(píng)論快報(bào)》。

最早入駐實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，分別是清華大學(xué)中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組（英文縮寫(xiě)CDEX）和上海交通大學(xué)粒子和天體物理氙探測(cè)器實(shí)驗(yàn)組（英文縮寫(xiě)PandaX），他們一直在地下捕捉人類看不見(jiàn)的暗物質(zhì)“幽靈”，如果真的發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)將引發(fā)一場(chǎng)物理學(xué)革命?，F(xiàn)在，雖然物理學(xué)的未來(lái)還具有不確定性，但至少在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，能清晰地聽(tīng)到宇宙的微弱聲音。

從“游擊隊(duì)”到“正規(guī)軍”

四川涼山，雅礱江從青藏高原一路奔騰而下，撞上“兩峰連列如屏”的錦屏山。氣勢(shì)如虹的江水被打出了個(gè)彎，彎出了150公里的大河灣。河谷深切，天然落差達(dá)300多米，成為水力發(fā)電的最好條件。錦屏一級(jí)、二級(jí)水電站就在錦屏山兩側(cè)隔山相望。在這之間，截彎取直，兩條平行的超長(zhǎng)交通隧道從山體腹部深處穿過(guò)。工程人叫它們A、B隧道。

2008年8月8日，北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式當(dāng)天，清華大學(xué)工程物理系暗物質(zhì)團(tuán)隊(duì)成員無(wú)意間看到錦屏隧道貫通的新聞。這條令人“激動(dòng)不已”的新聞?wù)f，隧道最大埋深2375米，埋深大于1500米洞段占隧道總長(zhǎng)的73.1％。

當(dāng)時(shí)，從北京、安徽的煤礦，到河北的金礦，秦嶺隧道，岳騫四處尋覓礦井和隧道已經(jīng)有四五年了。他是當(dāng)時(shí)清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人，也是2009年成立的CDEX實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人。暗物質(zhì)和暗能量是當(dāng)代物理學(xué)頭上名副其實(shí)的“兩朵烏云”，至今仍是最前沿的領(lǐng)域。物理學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，宇宙中，人類已知的物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量約4.9％，更遼闊無(wú)邊的宇宙畫(huà)布上，還有一類神秘物質(zhì)約占26.8％，它們不發(fā)光，也不參與電磁相互作用，很難被我們“看見(jiàn)”，因此被稱為暗物質(zhì)。

為了探測(cè)到暗物質(zhì)，人類努力了100多年，至今還沒(méi)有結(jié)果。物理學(xué)家們沒(méi)有放棄。他們把探測(cè)器放到地下一個(gè)安靜角落里，探測(cè)器內(nèi)設(shè)一個(gè)靶標(biāo)，如果靶物質(zhì)與暗物質(zhì)相撞，就會(huì)從中獲得一點(diǎn)極其微小的能量，然后轉(zhuǎn)化成人類可以識(shí)別的電、光、熱等信號(hào)。岳騫對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，原理雖然簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)難度卻非常大，因?yàn)榘滴镔|(zhì)仿佛“幽靈”，和普通物質(zhì)相撞的概率極低。即使大型探測(cè)器，等上一整天，也未必能遇上一次碰撞。

相比之下，從宇宙進(jìn)入地球的大量射線和周圍環(huán)境輻射中的放射性核素，平均每天和靶物質(zhì)的碰撞就能達(dá)到上億次?！拔覀儾皇强床坏叫盘?hào)，是看到了太多的信號(hào)。要在海量的干擾信號(hào)中發(fā)現(xiàn)極少的暗物質(zhì)信號(hào)，無(wú)異于大海撈針?！痹莉q說(shuō)。

在地面“清干凈”宇宙射線很困難。意大利國(guó)家核物理研究院的物理學(xué)家馬可·塞爾維有一個(gè)經(jīng)典形容：從地球表面探測(cè)暗物質(zhì)，就像在人聲鼎沸的體育場(chǎng)里辨認(rèn)一個(gè)小孩發(fā)出的微弱聲音。所以，實(shí)驗(yàn)室最好建到極深的地下去。那里，厚厚的巖層對(duì)宇宙射線有阻擋效果，實(shí)驗(yàn)室所處位置越深，宇宙射線越少。

國(guó)際上地下實(shí)驗(yàn)室的選址無(wú)非兩種：礦井或隧道。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任程建平是錦屏一期、二期項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，他對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，在錦屏之前，中國(guó)沒(méi)有自己的深地實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)早期的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)只能借韓國(guó)實(shí)驗(yàn)室?guī)灼椒矫椎目臻g進(jìn)行?！笆芟抻趯?shí)驗(yàn)場(chǎng)所，中國(guó)的科學(xué)家只能參與別人的基礎(chǔ)研究，無(wú)法成為主導(dǎo)者?！?/p>

此前，國(guó)際上有名的地下實(shí)驗(yàn)室如意大利LNGS、法國(guó)Modane和美國(guó)DUSEL深度都在1100～1700米之間，最深的加拿大SNO地下實(shí)驗(yàn)室也只有2100米。2009年3月，岳騫第一次進(jìn)入錦屏山腹部，隧道的施工還在收尾，由于埋深大，滲水多，隧道里到處都是積水，“就像行駛在河里”。他此行有非常重要的任務(wù)：在山體內(nèi)最深的地方取一塊巖石樣本，帶回實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)，看它“干不干凈”。

后來(lái)的檢驗(yàn)結(jié)果表明，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室接收到的宇宙射線量是全世界最低，僅為地表的一億分之一，比意大利LNGS地下實(shí)驗(yàn)室小100多倍，比岳騫以前工作過(guò)的韓國(guó)Y2L地下實(shí)驗(yàn)室小幾千倍?！皹颖局車膸r石也非常干凈，其天然放射性核素含量比北京地表環(huán)境輻射的幾十分之一到幾百分之一還低?！痹莉q說(shuō)。而且，相比他此前咨詢過(guò)的礦井和隧道，錦屏的科研條件也符合要求。前沿研究對(duì)環(huán)境要求很苛刻，除了深度，還要有足夠安全的工作環(huán)境，穩(wěn)定的電力供應(yīng)等后勤保障。

負(fù)責(zé)錦屏水電站開(kāi)發(fā)的國(guó)投雅礱江公司，當(dāng)時(shí)還叫二灘公司。2009年5月8日，清華大學(xué)與二灘公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方?jīng)Q定共建中國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室。選址利用了施工時(shí)做巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)洞，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)挖出約4000立方米的空間，到2010年底，實(shí)驗(yàn)室一期投入使用，中國(guó)自主的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)也從無(wú)到有。

但僅僅從無(wú)到有還不夠。實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行到2014年，程建平開(kāi)始面臨一個(gè)兩難的選擇：是否繼續(xù)建設(shè)二期？清華和上海交大實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步升級(jí)，需要更大空間。更多實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)也紛紛提出需求，希望利用極低輻射的環(huán)境開(kāi)展研究。但同時(shí)，一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題擺在了面前：經(jīng)費(fèi)從哪兒來(lái)？

2023年7月，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室所在的錦屏山隧道口以及旁邊的雅礱江。圖/新華

他打了個(gè)比方，“以前我們?cè)谶@里蓋了一棟住房，清華和上海交大團(tuán)隊(duì)合住在這兒?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外其他科研機(jī)構(gòu)也需要這樣的條件，所以，我們得擴(kuò)建出一個(gè)小區(qū)。問(wèn)題是，小區(qū)還要‘七通一平，水、電等公用基礎(chǔ)設(shè)施都需要巨大的經(jīng)費(fèi)投入”。而且，留給他的決策窗口期很短：錦屏水電樞紐的所有工程都進(jìn)入收尾階段，他必須當(dāng)機(jī)立斷，否則等施工隊(duì)全部撤離、機(jī)械設(shè)備也被搬走，此前打好的很多輔助隧洞全部回填，要想再建，重新招標(biāo)，成本會(huì)更高。

“當(dāng)時(shí)真的非常焦慮和糾結(jié)?！背探ㄆ秸f(shuō)。他還是決定再往前走一步。2014年8月，清華和國(guó)投雅礱江公司再次簽署共建協(xié)議，雙方約定各自自籌經(jīng)費(fèi)，把二期的實(shí)驗(yàn)洞擴(kuò)挖出來(lái)。

幸運(yùn)的是，2017年，該項(xiàng)目入選國(guó)家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施十個(gè)優(yōu)先啟動(dòng)項(xiàng)。2018 年底，獲國(guó)家發(fā)改委批復(fù)支持建設(shè)。自此，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期正式升級(jí)為“錦屏大設(shè)施”，并于2020年12月開(kāi)工。2023年底，“小區(qū)”的“精裝修”基本完成，實(shí)驗(yàn)室二期開(kāi)始投入使用?！耙郧拔覀兿喈?dāng)于游擊隊(duì)，現(xiàn)在是國(guó)家正規(guī)軍了?！背探ㄆ秸f(shuō)。

打造世界最“潔凈”的實(shí)驗(yàn)室

從一側(cè)洞口開(kāi)車進(jìn)入A線隧道，行駛到約9公里處再向南，拐入一條坡度很大的輔助隧道，就可以分別前往二期新挖的四個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳。與一期相比，二期的實(shí)驗(yàn)室空間擴(kuò)大了近80倍，可利用空間超30萬(wàn)立方米。

和裸露著巖石原始面貌的交通隧道相比，這里完全是另一個(gè)世界。進(jìn)入二期實(shí)驗(yàn)廳，入眼都是溫暖明亮的米黃色，光潔，細(xì)膩，緊密又貼合地包裹住四周的洞壁，且隨原始的巖層凹凸起伏。

為避免長(zhǎng)期在地下工作的人心理壓抑，清華大學(xué)特意找美院老師進(jìn)行視覺(jué)設(shè)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境打造成暖色系。但涂層不只是為了裝飾，它是二期建設(shè)施工中最大的挑戰(zhàn)。“它的表面要做到光滑和潔凈不沾灰，因?yàn)榛覊m里也有放射性核素，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境造成污染。”錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局工程技術(shù)部副主任李宏璧對(duì)《中國(guó)新聞周刊》解釋。

人類生活環(huán)境中本來(lái)就存在的輻射，又稱為本底輻射。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)探測(cè)的“頭號(hào)敵人”宇宙射線被消滅之后，“身邊的敵人”成為影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵。

氡氣是一種由放射性核素鐳-226衰變而來(lái)的惰性放射性氣體，會(huì)不斷從巖石、土壤以及山體裂隙滲出的水中逸出，建筑材料中的放射性核素也會(huì)衰變成氡氣。這些無(wú)色無(wú)味的污染源不僅影響實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，如果濃度過(guò)高，還會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。因此，為了盡量減少環(huán)境輻射，二期建設(shè)者的首要任務(wù)，就是“防水抑氡”。

李宏璧介紹，實(shí)驗(yàn)室墻面的米黃色“防護(hù)服”雖然厚度僅10厘米，卻由10層結(jié)構(gòu)組成，采用了很多放射性受控的非常規(guī)材料和工藝創(chuàng)新，攻克了一系列技術(shù)難題，整合而成的“防水抑氡”方案是世界首創(chuàng)，對(duì)山體圍巖釋放氡氣的抑制率達(dá)99％。

設(shè)計(jì)方案時(shí)，控制本底的一個(gè)核心原則是減少混凝土用量，這源自一期建設(shè)中的教訓(xùn)。清華大學(xué)工程物理系研究員曾志是錦屏地下實(shí)驗(yàn)室低本底組負(fù)責(zé)人，他對(duì)《中國(guó)新聞周刊》回憶：“一期時(shí)，給我的任務(wù)就是選水泥，當(dāng)時(shí)工程緊張，現(xiàn)場(chǎng)只用兩種水泥產(chǎn)品。做了實(shí)驗(yàn)才發(fā)現(xiàn)水泥自身的本底也很高，尤其混凝土原材料中有一種納米添加劑，放射性本底特別高?！痹究偨Y(jié)，最初以為是來(lái)給暗物質(zhì)研究“做好低本底服務(wù)”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本底控制是深地實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)核心能力。

完工的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期A1廳，洞壁上覆蓋的米黃色涂層是錦屏獨(dú)創(chuàng)的“防水抑氡”層。圖/受訪者提供

到二期建設(shè)時(shí)，清華團(tuán)隊(duì)變得更小心謹(jǐn)慎。所有施工材料必須經(jīng)過(guò)清華的低本底檢測(cè)合格后才可以進(jìn)場(chǎng)，不達(dá)標(biāo)就要更換材料，或和廠家一起聯(lián)合研發(fā)。對(duì)工程人來(lái)講，這一要求是首次聽(tīng)說(shuō)，也就意味著一切要從零開(kāi)始。

主要施工單位中建三局的錦屏大設(shè)施二期項(xiàng)目總工程師譚雷對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，最難的是材料選擇，有很多不確定性，如果一直找不到合格的材料，還會(huì)拉長(zhǎng)工期。很多自然形成的無(wú)機(jī)材料，輻射沒(méi)法人工控制，只能通過(guò)海量篩選，去碰運(yùn)氣。“比如砂石，工程項(xiàng)目采購(gòu)砂石的運(yùn)輸距離一般不超過(guò)10公里，但我們篩選了幾十家砂石料廠，最終選擇了離錦屏地下實(shí)驗(yàn)室100多公里遠(yuǎn)的一個(gè)廠家，運(yùn)費(fèi)比購(gòu)買材料的成本還要高，真的是不計(jì)代價(jià)?！?/p>

但建好一個(gè)“潔凈”的房子后，降低本底的過(guò)程仍沒(méi)有完成。環(huán)境中的材料都含有放射性核素，能發(fā)出光子、中子等輻射，也需要屏蔽。為此，實(shí)驗(yàn)人員還要在探測(cè)器外建立屏蔽體。CDEX實(shí)驗(yàn)組的探測(cè)器已經(jīng)升級(jí)到第三代，屏蔽體材料也在不斷更新。曾志說(shuō)，第一代核心屏蔽材料是鉛和銅，后來(lái)發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)鉛的本底太高，而進(jìn)口的羅馬老鉛又成本太高，第二代開(kāi)始就盡量少用鉛，用更干凈的銅來(lái)取代鉛。

到了第三代，實(shí)驗(yàn)組將探測(cè)器直接裸浸于一個(gè)1725立方米的巨大液氮罐中央，“這一步的技術(shù)挑戰(zhàn)非常大?！痹莉q解釋，液氮很純，比銅和鉛干凈得多，但因?yàn)槊芏容^小，要想起到同樣的屏蔽效果，液氮罐要做得足夠大，這也是升級(jí)后的實(shí)驗(yàn)需要更大空間，只能在二期實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的原因。

對(duì)上海交大PandaX實(shí)驗(yàn)組而言，探測(cè)器內(nèi)部的本底更加防不勝防。劉江來(lái)是上海交通大學(xué)李政道研究所和物理與天文學(xué)院教授，也是PandaX實(shí)驗(yàn)組的發(fā)言人，他對(duì)《中國(guó)新聞周刊》解釋，探測(cè)器材料本身也在不停地向外釋放本底輻射，其中最讓人討厭的三種本底是氪、氙和氚，這些放射性氣體雜質(zhì)均勻地分布在探測(cè)器里面，到現(xiàn)在也不完全清楚它們是從哪兒來(lái)的。

他還表示，PandaX實(shí)驗(yàn)組每天采集的數(shù)據(jù)大概是100萬(wàn)個(gè)事件，運(yùn)行一年之后，最后篩選出的疑似暗物質(zhì)事件也就是2～3個(gè)，但即使這2～3個(gè)事件，最終也有99％的概率是本底事件。實(shí)際上，再去分析這2～3個(gè)事件分別來(lái)自哪個(gè)本底是很難的，但如果不清楚這點(diǎn)，這些信號(hào)就可能被誤認(rèn)為是暗物質(zhì)信號(hào)?！拔覀円氡M一切辦法理解每一種不同來(lái)源的本底，這是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程?！痹诔探ㄆ娇磥?lái)，宇宙射線趨零之后，過(guò)去忽略不計(jì)、極其微小的本底都凸顯出來(lái)了，“結(jié)果發(fā)現(xiàn)到處都是本底”。

捕捉看不見(jiàn)的“獵物”

離2024年春節(jié)還剩一周多，PandaX實(shí)驗(yàn)組的博士王秋紅仍在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室值班。每天上午，他從監(jiān)測(cè)運(yùn)行的辦公室出來(lái)后，小心地向下走過(guò)幾段彎折的陡峭樓梯，就站到一個(gè)900多立方米的巨型水罐面前。

如果從水罐頂部向下看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)罐中的水閃著藍(lán)色的光，這是水達(dá)到極高純度時(shí)的樣子。王秋紅對(duì)《中國(guó)新聞周刊》介紹說(shuō)，實(shí)驗(yàn)組正對(duì)Panda-4T探測(cè)器升級(jí)改造，重新灌水進(jìn)去。這些濾過(guò)的超純水是很好的屏蔽體，水的中央，就是實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備——4噸量級(jí)的液氙探測(cè)器。

這是上海交大PandaX實(shí)驗(yàn)組的第三代探測(cè)器，位于錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的B2實(shí)驗(yàn)廳，在隔壁的C1實(shí)驗(yàn)廳，清華大學(xué)CDEX實(shí)驗(yàn)組的第三代高純鍺探測(cè)器即將組裝。同樣是探測(cè)暗物質(zhì)，兩個(gè)探測(cè)器的靶物質(zhì)不同，采用的技術(shù)路線也截然不同。

理解這種區(qū)別之前，首先要清楚暗物質(zhì)探測(cè)的理論依據(jù)。到目前為止，人們其實(shí)不知道暗物質(zhì)究竟是怎樣的粒子，最主流的候選者是一種弱相互作用大質(zhì)量粒子（英文縮寫(xiě)WIMP），即只通過(guò)弱相互作用力和引力，與其他普通物質(zhì)發(fā)生微弱作用。根據(jù)理論模型預(yù)測(cè)，其質(zhì)量可能在十億電子伏特（GeV）到萬(wàn)億電子伏特（TeV）間。由于理論計(jì)算出的WIMP粒子數(shù)量剛好與宇宙學(xué)觀測(cè)得出的暗物質(zhì)密度精確吻合，科學(xué)家們覺(jué)得，這不可能只是一個(gè)巧合。所以，從20世紀(jì)七八十年代起，WIMP一直被認(rèn)為是最有希望的理論之一，人們稱之為“WIMP奇跡”。

因此，暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)基本以WIMP理論為出發(fā)點(diǎn)，去掃描理論預(yù)測(cè)暗物質(zhì)所在能區(qū)。以PandaX實(shí)驗(yàn)組為例，劉江來(lái)介紹，其探測(cè)器掃描的暗物質(zhì)質(zhì)量范圍是5 GeV～10 TeV，至少橫跨3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，全世界的實(shí)驗(yàn)組雖然都還沒(méi)找到暗物質(zhì)，但隨著精準(zhǔn)掃描過(guò)的范圍越來(lái)越大，至少排除了很大部分可能區(qū)域?！案蜗蟮卣f(shuō)，就是界定了暗物質(zhì)的‘亮度上限?！眲⒔瓉?lái)說(shuō)。

他認(rèn)為，探測(cè)這樣極其稀有的事件，不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線間“拼的就是靈敏度”。PandaX實(shí)驗(yàn)探測(cè)器選用氙作為靶物質(zhì)，是因?yàn)殡撵`敏度很高，與暗物質(zhì)間有更大的碰撞概率，探測(cè)器比較容易升級(jí)，也有更多的手段可以抑制本底。

清華大學(xué)暗物質(zhì)團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始選擇的就是另一個(gè)方向。岳騫回憶，早在2003年，國(guó)際上幾家實(shí)驗(yàn)組在研究中高質(zhì)量暗物質(zhì)時(shí)，他們就發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)候選者覆蓋能區(qū)可以很寬，輕質(zhì)量暗物質(zhì)的研究在國(guó)際上尚屬空白。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算模擬后，確定這條路線是可行的，清華團(tuán)隊(duì)就決定另辟蹊徑，將暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)掃描重點(diǎn)從幾十GeV量級(jí)以上的區(qū)域轉(zhuǎn)移到10GeV以下，甚至數(shù)十MeV量級(jí)（百萬(wàn)電子伏特），擴(kuò)展暗物質(zhì)探測(cè)的質(zhì)量下限?！八晕覀兘M建了世界上首個(gè)高純鍺探測(cè)器團(tuán)隊(duì)，因?yàn)檫@種探測(cè)器對(duì)輕質(zhì)量區(qū)間很靈敏，可以記錄到非常小的能量引起的信號(hào)，探測(cè)更輕的暗物質(zhì)粒子。”

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組都在各自能區(qū)給出了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。岳騫解釋，如果探測(cè)器內(nèi)一個(gè)靶原子核是一個(gè)獵人，獵人越多，捕捉到暗物質(zhì)這一獵物的概率就越大，為了提高靈敏度，探測(cè)器升級(jí)的思路主要是擴(kuò)大靶物質(zhì)體積和有效質(zhì)量。

從最初的CDEX-1、CDEX-10，到正在建設(shè)的CDEX-300，三代探測(cè)器內(nèi)的高純鍺質(zhì)量從1公斤、10公斤增加到300公斤。另一邊，從PandaX-I、PandaX-II到PandaX-4T，三代探測(cè)器使用的液氙分別從120公斤、500公斤擴(kuò)大到4噸。未來(lái)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的探測(cè)器都會(huì)往更大量級(jí)走，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定規(guī)模，仍沒(méi)有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，而需要的資金已達(dá)到幾十億元，甚至上百億元時(shí)，會(huì)面臨一個(gè)同樣的困境：面對(duì)一個(gè)非常不確定的未來(lái)，科學(xué)家們?cè)撛趺淳駬瘢?/p>

這是所有前沿研究都要面臨的選擇。岳騫說(shuō)，CDEX探測(cè)器可以“一機(jī)兩用”，同一個(gè)探測(cè)器獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，低能區(qū)數(shù)據(jù)做暗物質(zhì)分析，高能區(qū)用作中微子研究。相對(duì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，中微子性質(zhì)研究是一件更有確定性結(jié)果的事。

PandaX實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。圖/受訪者提供

中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期的上海交大PandaX液氙暗物質(zhì)探測(cè)器。圖/受訪者提供

實(shí)際上，由于一直沒(méi)有找到暗物質(zhì)，WIMP理論近幾年在國(guó)際上遇到很多質(zhì)疑。人們?cè)谙耄遣皇前滴镔|(zhì)比WIMP粒子更輕，或者更重？“大家很焦慮，但我始終認(rèn)為，從科學(xué)審美的角度，WIMP是一個(gè)很優(yōu)雅的模型，它背后的理論很簡(jiǎn)潔，能同時(shí)解決n個(gè)問(wèn)題，比如暗物質(zhì)在宇宙質(zhì)量中的占比、標(biāo)準(zhǔn)模型缺陷等，如果說(shuō)整個(gè)物理學(xué)是一塊拼圖，WIMP能同時(shí)拼上好幾塊未知的部分?！眲⒔瓉?lái)說(shuō)。

故事的另一種可能結(jié)局是，一旦發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，將徹底改變?nèi)祟悓?duì)世界的認(rèn)知，把宇宙中一個(gè)未知窗口完全打開(kāi)?！氨緛?lái)只能透過(guò)一扇小小的窗戶看外面，結(jié)果突然變成了一個(gè)360°全景的房間，人類眼中的世界就會(huì)變得大很多?！痹莉q形容。

尋找終極問(wèn)題的答案

所有人類想要研究的終極問(wèn)題中，最終極的問(wèn)題只有一個(gè)：歸根結(jié)底，我們從哪兒來(lái)？

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室不只面向暗物質(zhì)研究。中國(guó)原子能科學(xué)研究院牽頭的國(guó)家基金委重大項(xiàng)目錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)（英文縮寫(xiě)JUNA）于2021年1月開(kāi)始進(jìn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)四個(gè)月測(cè)量后，獲得了世界上精度最高的測(cè)量結(jié)果，首批成果中的一項(xiàng)于2022年10月發(fā)表在《自然》雜志上。

核天體物理在研究什么？宇宙剛誕生時(shí)只有氫和氦，但138億年后出現(xiàn)了更多元素，碳、氮、氧……這些元素構(gòu)成了地球、物質(zhì)與人類。中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究員、JUNA首席科學(xué)家柳衛(wèi)平對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，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。

他進(jìn)一步解釋，無(wú)論是原初的宇宙大爆炸，還是恒星的演化，都是一個(gè)特別劇烈的過(guò)程，背后的驅(qū)動(dòng)力就是原子核反應(yīng)。JUNA模擬宇宙的思路，就是利用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(cè)量這個(gè)過(guò)程中反應(yīng)產(chǎn)生的不同元素。和暗物質(zhì)信號(hào)一樣，產(chǎn)生不同元素的反應(yīng)信號(hào)也非常微弱，所以為了排除宇宙射線的干擾，加速器也被放在了錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，這就是“從大山深處仰望星空”。

正在建設(shè)中的CDEX液氮恒溫器。圖/受訪者提供

中國(guó)原子能院JUNA核天體物理加速器實(shí)驗(yàn)裝置。圖/受訪者提供

深地物理之外，深地醫(yī)學(xué)研究也在錦屏實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)。早有研究證明，腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)隨著輻射增強(qiáng)而增加。那么，極低輻射刺激之下，腫瘤是否會(huì)發(fā)生不一樣的改變？四川大學(xué)華西醫(yī)院深地醫(yī)學(xué)中心研究員吳江對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，2018年，華西醫(yī)院率先在吉林夾皮溝黃金礦井下1410米處建了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)室，把人類腫瘤細(xì)胞“放下去培養(yǎng)”，很快發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的生長(zhǎng)變慢了。

2022年，同樣的實(shí)驗(yàn)在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室進(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。吳江解釋說(shuō)，錦屏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，極低本底輻射環(huán)境下，腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移能力都在下降，這對(duì)于腫瘤治療是一個(gè)好消息。

華西醫(yī)院團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞對(duì)一線化療藥物順鉑的敏感性增強(qiáng)，吳江分析說(shuō)，腫瘤治療的一個(gè)攔路虎就是耐藥性，這項(xiàng)結(jié)果提供了一種可能性：未來(lái)，產(chǎn)生耐藥性的惡性腫瘤病人或許可以到地下中轉(zhuǎn)一下，重新對(duì)藥物敏感?！吧踔潦欠窨梢钥紤]在地下建立臨床試驗(yàn)基地，以延長(zhǎng)惡性腫瘤病人的生存期？”

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的定位，是一個(gè)綜合性重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái)，也是一個(gè)開(kāi)放共享的大科學(xué)裝置，以深地前沿科學(xué)探索為主要方向，覆蓋粒子物理、核天體物理、宇宙學(xué)、深地醫(yī)學(xué)、巖石力學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域。

“錦屏大設(shè)施”建成后，首批進(jìn)駐的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組已達(dá)到10個(gè)，來(lái)自清華大學(xué)、上海交大、中國(guó)原子能研究院、四川大學(xué)、生態(tài)環(huán)境部等單位。程建平說(shuō)，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(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，展開(kāi)幾個(gè)重大的國(guó)際合作項(xiàng)目?！拔覀儜阎e極的態(tài)度擁抱世界，以后會(huì)定期召開(kāi)圍繞深地前沿科學(xué)的研討會(huì)，吸引全世界更多研究領(lǐng)域的科學(xué)家關(guān)注中國(guó)，來(lái)到錦屏。”

開(kāi)創(chuàng)校企合作先例

作為校企合作共同推動(dòng)基礎(chǔ)研究的樣本，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的共建模式一直被多方關(guān)注。2009年，清華大學(xué)第一次向國(guó)投雅礱江公司提出建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室的建議時(shí)，對(duì)后者而言，這是一次艱難的決策過(guò)程。

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局副總工程師申滿斌對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，當(dāng)時(shí)企業(yè)自身的經(jīng)營(yíng)比較困難，又是水電工程建設(shè)和資金投入的高峰期，面對(duì)陌生的物理學(xué)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)會(huì)不會(huì)帶來(lái)額外的安全風(fēng)險(xiǎn)，“公司決策層確實(shí)面臨很大的壓力”。

安全風(fēng)險(xiǎn)是最大的顧慮所在。李宏璧解釋，挖錦屏山隧道時(shí)，因?yàn)槁裆钐?，?shí)測(cè)最大地應(yīng)力達(dá)到了113.87兆帕，“相當(dāng)于世界最深的馬里亞納海溝形成的壓力”。這種壓力把巖石擠壓得很緊密，巖石儲(chǔ)藏了很大能量，會(huì)像炮彈一樣突然彈射出去，這就是巖爆?！霸谕阱\屏山A、B隧道的過(guò)程中，我們一共遇到了1000多次巖爆，幾乎每天都有，一次強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生后，1000多立方米的巖石直接垮下來(lái)。”

另一個(gè)威脅是高壓大流量突涌水。工程區(qū)深部裂隙發(fā)育，地下水豐富，水壓大，突涌水點(diǎn)多且流量大?！伴_(kāi)挖時(shí)如碰到一個(gè)大的巖石裂隙，可能瞬間產(chǎn)生非常大流量的水往外涌，你能想象在1000多米高的水壓力下，水突然噴射出來(lái)的情景嗎？水流能噴射50～100米遠(yuǎn)，產(chǎn)生如同飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的巨大轟鳴聲，水像刀一樣，巖石都能切碎?！崩詈觇敌稳?。因此，在申滿斌看來(lái)，最終能促成合作，得益于國(guó)投雅礱江公司對(duì)基礎(chǔ)研究的重視及社會(huì)責(zé)任感。

2023年7月4日，工人在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)施工。圖/新華

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)校企科研合作，多集中在可以更快產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用研究領(lǐng)域。程建平認(rèn)為，企業(yè)支持大科學(xué)裝置建設(shè)，錦屏并非獨(dú)一份，但企業(yè)一般都是給予場(chǎng)地便利或提供一些道義上的支持，像國(guó)投雅礱江公司與清華大學(xué)這樣共同發(fā)起、共同出資、共同建設(shè)，這么深層次的合作，是絕無(wú)僅有的。

2023年12月，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局局長(zhǎng)李名川撰文總結(jié)校企合作經(jīng)驗(yàn)時(shí)寫(xiě)道，自2009年一期建設(shè)以來(lái)，國(guó)投雅礱江公司將水電站原有洞室無(wú)償劃轉(zhuǎn)作為實(shí)驗(yàn)空間使用，主動(dòng)出資開(kāi)挖擴(kuò)建實(shí)驗(yàn)室，還投入專門的團(tuán)隊(duì)參與實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理。二期投用之后，大量公用基礎(chǔ)設(shè)施每年的運(yùn)維，也是該公司在做。

程建平進(jìn)一步分析，這種深層次的合作，對(duì)基礎(chǔ)研究而言，收獲的不僅是資金和相關(guān)資源的支持，更關(guān)鍵的是國(guó)投雅礱江公司在工程技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)，“如果沒(méi)有他們的參與，項(xiàng)目會(huì)遇到很多挫折，建設(shè)周期可能會(huì)延長(zhǎng)五年，甚至十年”。

“我們比科學(xué)家更擅長(zhǎng)的，一是工程建設(shè)方面的高效組織和管理能力，比如將清華的設(shè)計(jì)方案有效轉(zhuǎn)化為施工方案，組織進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)；二是對(duì)實(shí)驗(yàn)室本身的運(yùn)維和安全管理。國(guó)投雅礱江公司專門成立了一個(gè)機(jī)構(gòu)——錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室管委會(huì)授權(quán)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)管理?！鄙隄M斌說(shuō)。2009年，清華大學(xué)和國(guó)投雅礱江公司共同組建了實(shí)驗(yàn)室管委會(huì)，由校企雙方實(shí)質(zhì)上共同管理錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。但面向未來(lái)，雙方繼續(xù)親密合作面臨一些體制機(jī)制上的挑戰(zhàn)。

申滿斌指出，“錦屏大設(shè)施”作為國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，項(xiàng)目法人僅有清華大學(xué)一家，理論上說(shuō)，相應(yīng)的運(yùn)行保障和管理責(zé)任應(yīng)由法人單位承擔(dān)。但實(shí)際上，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的共建模式是事實(shí)上的“雙法人制”，不同于常規(guī)的“單一法人制”大科學(xué)工程，因此，從實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)運(yùn)營(yíng)的角度，如何突破現(xiàn)有的科研管理政策和體制機(jī)制，解決國(guó)投雅礱江公司后續(xù)身份上的合法性問(wèn)題，讓企業(yè)在實(shí)驗(yàn)室發(fā)展中更充分發(fā)揮作用，還需要繼續(xù)探索。