大事記
●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)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)
●2010年12月
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式投入使用
●2014年8月
清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司簽署協(xié)議，共同建設(shè)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目
●2016年
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(二期)項(xiàng)目被列入國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃
●2019年7月
中國(guó)錦屏地下實(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)
●2020年12月
雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局成立，錦屏大設(shè)施正式開(kāi)工建設(shè)
●2021年3月
國(guó)家“十四五”規(guī)劃發(fā)布，錦屏大設(shè)施躋身前瞻引領(lǐng)型國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施
世界極深實(shí)驗(yàn)室排名
●2400米(巖石覆蓋厚度)
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室
●2000米
加拿大斯諾地下實(shí)驗(yàn)室
●1700米
法國(guó)摩丹地下實(shí)驗(yàn)室
●1400米
意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室
●1100米
英國(guó)伯畢地下實(shí)驗(yàn)室
●1000米
日本神崗地下實(shí)驗(yàn)室
●700米
韓國(guó)襄陽(yáng)(Y2L)地下實(shí)驗(yàn)室
●600米
美國(guó)蘇丹地下實(shí)驗(yàn)室
在涼山州木里縣、鹽源縣與冕寧縣交界處，150公里長(zhǎng)的雅礱江錦屏大河灣，矗立著兩座世界級(jí)水電站--錦屏一級(jí)水電站，擁有世界第一高壩；錦屏二級(jí)水電站，擁有世界最大規(guī)模的水工隧洞群。
連接兩座電站、長(zhǎng)17.5公里的錦屏山隧道里，藏著世界最深最大的極深地下實(shí)驗(yàn)室--中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
暗物質(zhì)、核天體物理、中微子、巖石力學(xué)……這些前沿科技的研究，都從這座地下2400米的實(shí)驗(yàn)室起航，奔赴星辰大海。
2400米隧洞深處
神秘地下實(shí)驗(yàn)室一年半建成
9月22日，乘車從涼山州西昌市一路向北，在冕寧縣漫水灣駛?cè)脲\屏水電站專用公路，溯流而上，河灘峽谷，山擠著山。約兩小時(shí)后，車輛一頭扎進(jìn)開(kāi)車通行需半小時(shí)的錦屏山隧道。就像進(jìn)入一個(gè)洞穴迷宮，我們穿過(guò)一個(gè)又一個(gè)洞穴，行至隧道中央，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室到了。
實(shí)驗(yàn)室與水電站的結(jié)緣，緣于一次偶然。2008年8月8日，錦屏山隧道全線貫通。清華大學(xué)工程物理系一位老師從新聞里得知錦屏山隧道巖石覆蓋達(dá)2400米，興奮不已�！斑@不正是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)夢(mèng)寐以求的地方嗎？”
我們能看到的普通物質(zhì)，在整個(gè)宇宙物質(zhì)質(zhì)量中只占不到15%，剩余85%都是看不到的物質(zhì)，科學(xué)家們稱其為暗物質(zhì)。人類關(guān)于暗物質(zhì)的研究可追溯到80多年前，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俊白プ 绷怂�，它們很有可能飛出去。
但暗物質(zhì)一直是個(gè)謎，抓取難度很大，到目前為止，世界上也沒(méi)有人真正捕捉到它。而探測(cè)暗物質(zhì)，需要建設(shè)深地實(shí)驗(yàn)室，利用巖層阻擋宇宙射線的干擾，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供最“純凈”的環(huán)境。在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成之前，深地實(shí)驗(yàn)室僅在發(fā)達(dá)國(guó)家有建，清華大學(xué)等科研院所只能利用國(guó)外的深地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行暗物質(zhì)研究。
錦屏山隧道全線貫通后，清華大學(xué)立即與雅礱江公司取得聯(lián)系，希望利用錦屏山隧道的絕佳條件建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。但錦屏山隧道是地質(zhì)條件極為復(fù)雜的水工隧洞，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)挖實(shí)驗(yàn)室，面臨巨大挑戰(zhàn)。
采訪中，正在施工的實(shí)驗(yàn)室二期工地現(xiàn)場(chǎng)，我們碰到了雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局常務(wù)副局長(zhǎng)李名川。據(jù)他介紹，在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期選址和建設(shè)過(guò)程中，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)測(cè)量了錦屏山隧道中部的巖石放射性和宇宙線通量，確認(rèn)了錦屏山隧道中部覆蓋巖石是純凈的大理巖，該位置的宇宙線通量約為地面的億分之一，是非常理想的建設(shè)大型地下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的地方。面對(duì)種種風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，雅礱江公司毅然決定支持國(guó)家基礎(chǔ)科研，與清華大學(xué)共建中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
通過(guò)科學(xué)論證解決安全風(fēng)險(xiǎn)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室歷經(jīng)一年半建設(shè)，于2010年12月正式投入使用。
穿了6層“盔甲”
只為等待一次載入史冊(cè)的碰撞
走進(jìn)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室大門，再穿過(guò)幾道鋁合金門之后，一個(gè)神秘的空間展現(xiàn)眼前。我們睜大眼睛，來(lái)回走了幾圈，只看到一些大大小小像氧氣罐一樣的容器、像磚塊一樣的設(shè)備和儀器，看上去似乎不太科幻。
發(fā)現(xiàn)并研究暗物質(zhì)，可能引發(fā)物理學(xué)革命，但由于暗物質(zhì)的聲音實(shí)在太小，探測(cè)難度極大。有專家打比方說(shuō)，就好像在人聲鼎沸的體育場(chǎng)里看比賽，還要聽(tīng)清一根針掉落的聲音。因此要想探測(cè)它，需要把周圍的干擾物質(zhì)去掉。這些干擾物質(zhì)包括宇宙線粒子、中子、伽馬射線等。
清華大學(xué)工程物理系首席研究員岳騫介紹，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室隱藏在山體下，巨大的巖層成為宇宙線的天然屏障，可以屏蔽大量的宇宙線粒子。但這還不夠，為了進(jìn)一步去掉干擾物質(zhì)，這個(gè)神秘空間設(shè)置了重重防護(hù)“盔甲”。
第一層為天然巖石屏障；第二層澆筑了50厘米厚的混凝土作為洞室安全支護(hù)結(jié)構(gòu)；第三層放置了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；第五層為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。
這些設(shè)備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。重重“盔甲”保護(hù)之下，低溫液氮環(huán)境中，躺著的則是直接探測(cè)暗物質(zhì)的1公斤高純鍺實(shí)驗(yàn)探測(cè)器。暗物質(zhì)探測(cè)器需要零下196攝氏度的工作環(huán)境，因此空間內(nèi)將不斷注入液氮�！扒ё憬鹬挥�99.9%的含量，即3個(gè)‘9’，但高純鍺晶體純度則達(dá)到12個(gè)‘9’以上�！痹莉q說(shuō)，暗物質(zhì)探測(cè)器將所探測(cè)到的信號(hào)全部記錄下來(lái)之后，清華大學(xué)在北京后方的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室同步分析數(shù)據(jù)，開(kāi)展相關(guān)研究。
目前，暗物質(zhì)探測(cè)方法大體分為“上天”“入地”“人造暗物質(zhì)”3種。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室探測(cè)暗物質(zhì)的方法屬于“入地”——在地下放置暗物質(zhì)探測(cè)器，等待暗物質(zhì)撞上來(lái)�！昂�(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是守株待兔�！痹莉q說(shuō)，探測(cè)器可以記錄下所有與它產(chǎn)生碰撞的信號(hào)，如果探測(cè)到與普通物質(zhì)不同的信號(hào)，那么就有可能是暗物質(zhì)，“我們一直在等待一次載入史冊(cè)的碰撞�！�
實(shí)驗(yàn)室可用空間增加到30萬(wàn)立方米
將吸引更多國(guó)內(nèi)外頂級(jí)科學(xué)團(tuán)隊(duì)入駐
實(shí)驗(yàn)室投用后，首批進(jìn)駐的有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組。經(jīng)過(guò)這些年研究，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組取得近30項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先成果，盡管沒(méi)能直接探測(cè)到暗物質(zhì)，但是通過(guò)排除法縮小了探測(cè)范圍，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?yōu)椤安⑴堋薄＿@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組還將在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成更大規(guī)模的、可同時(shí)探測(cè)暗物質(zhì)和中微子的大型實(shí)驗(yàn)裝置，探尋暗物質(zhì)和中微子的終極奧秘。
2020年，中核集團(tuán)和中科院在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成世界最強(qiáng)流深地核天體物理加速器，并成功出束；未來(lái)還將在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展世界上最先進(jìn)的深地核天體物理實(shí)驗(yàn)，使我國(guó)成為世界核天體物理直接測(cè)量的中心。此外，中國(guó)科學(xué)家還將在這里建成國(guó)際上第一個(gè)可同時(shí)測(cè)量切倫科夫光與閃爍光的大型中微子望遠(yuǎn)鏡，在探索太陽(yáng)和地球中微子的能力和精度上力爭(zhēng)做到世界第一。以中科院武漢巖土所及四川大學(xué)為代表的巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)組，將深入研究深地巖石力學(xué)、深地地震工程學(xué)與地球物理學(xué)等國(guó)際最前沿的深地基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。
不斷斬獲科研成果的同時(shí)，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的面積也將擴(kuò)大。這座山體里的洞室，將在未來(lái)打開(kāi)更多可能。
2016年我國(guó)提出“向地球深部進(jìn)軍”，同年，實(shí)驗(yàn)室二期項(xiàng)目錦屏大設(shè)施被列入國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃。經(jīng)過(guò)二期擴(kuò)建，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可用空間由之前的4000立方米增加到30萬(wàn)立方米，擴(kuò)大近80倍。這里將建設(shè)世界最大的暗物質(zhì)探測(cè)器，也將開(kāi)展多種學(xué)科的深地實(shí)驗(yàn)。
李名川介紹，目前錦屏大設(shè)施整個(gè)洞室的開(kāi)挖、擴(kuò)挖、加固工作已經(jīng)完成，相當(dāng)于毛坯房完成。主體工程建設(shè)正進(jìn)入高峰期，正在施工的是“防水抑氡工程”和鋼結(jié)構(gòu)工程。氡是放射性氣體，不僅是影響人體健康的一類致癌物，而且其衰變產(chǎn)生的放射性粒子進(jìn)入探測(cè)器，會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“因此，我們決定用10層材料將整個(gè)實(shí)驗(yàn)空間包裹起來(lái)，就像給實(shí)驗(yàn)室做了一個(gè)雞蛋殼，蛋殼內(nèi)部是實(shí)驗(yàn)空間�！崩蠲ㄕf(shuō)，這10層材料組成的殼體面積共11萬(wàn)平方米，只有10厘米厚，特殊定制的材料本身輻射很低，既防水又抑制氡氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)材料用量少，減少了環(huán)境輻射，保證實(shí)驗(yàn)空間最大。據(jù)預(yù)計(jì)，錦屏大設(shè)施土建工程將于2023年6月基本完工，將于2024年11月建成投入使用。
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，憑借國(guó)際一流的綜合條件和科研成果，錦屏大設(shè)施在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了強(qiáng)大的學(xué)術(shù)影響力，后續(xù)還將會(huì)吸引更多的國(guó)內(nèi)外頂級(jí)科學(xué)團(tuán)隊(duì)入駐，形成粒子物理、核天體物理、宇宙學(xué)、生命科學(xué)、巖石力學(xué)等多學(xué)科交叉的世界級(jí)開(kāi)放共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為全球深地科學(xué)研究的“圣地”。
【對(duì)話】
在地下2400米工作是什么樣的體驗(yàn)
“90后”景明坤已在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室工作了整整7個(gè)年頭。本科從成都理工大學(xué)畢業(yè)后，他就扎進(jìn)了這座深山里的實(shí)驗(yàn)室，成為清華大學(xué)錦屏實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的科研助理。
在地下2400米深處工作是一種什么體驗(yàn)？科研人員日常工作都有哪些？近日，記者跟他聊了聊。
記者：你的日常工作主要是什么？
景明坤：工作在不同階段各有側(cè)重。前期不僅要干專業(yè)性很強(qiáng)的“細(xì)活兒”——超純材料放射性活度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和分析，還要和工人師傅們一起干各種“粗活兒”，比如搬運(yùn)重物、清洗屏蔽組件。以前，我連擰螺絲都不太會(huì)，但到了實(shí)驗(yàn)室，很多設(shè)備要自己裝、自己調(diào)，迅速上手，學(xué)會(huì)了獨(dú)當(dāng)一面�，F(xiàn)在，你能在修理鋪?zhàn)�、加工車間看到的工具，我基本上都會(huì)用了。
后來(lái)，我的主要任務(wù)是檢測(cè)各類樣本的輻射本底。最近這段時(shí)間，由于實(shí)驗(yàn)室在擴(kuò)容，工作量比較大，水泥、鋼筋、磚塊等各類建筑材料要先通過(guò)檢驗(yàn)，才能正式投入實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。
記者：怎么個(gè)檢測(cè)法？
景明坤：拿到樣本材料，攪拌至均勻，放入樣品盒中，裝滿壓實(shí)，再放入儀器，進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)量。儀器工作時(shí)，我就在電腦上草擬報(bào)告，之后，提取儀器給出的能譜圖中的關(guān)鍵信息，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到最終數(shù)值，將數(shù)值和基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，就可以判斷材料是否合格。
記者：你每天在實(shí)驗(yàn)室待多久？
景明坤：上個(gè)月，我測(cè)了110份材料，每份材料測(cè)量耗時(shí)約3個(gè)小時(shí)，每天在實(shí)驗(yàn)室待10個(gè)小時(shí)以上。實(shí)驗(yàn)室四季恒溫，冬暖夏涼，實(shí)現(xiàn)了光纖、網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，可以用WiFi。這里唯一與地面實(shí)驗(yàn)室不同的是沒(méi)有窗戶，刮風(fēng)下雨絲毫感覺(jué)不到，也讓我常常分不清外界是白天還是黑夜。
記者：覺(jué)得枯燥嗎？
景明坤：早就習(xí)慣了，并不覺(jué)得枯燥，研究本身就很有樂(lè)趣。實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)產(chǎn)出過(guò)一些國(guó)際前沿研究成果，暗物質(zhì)探測(cè)團(tuán)隊(duì)正在一步步縮小暗物質(zhì)可能的藏身范圍。我有時(shí)也會(huì)想，那些厲害成果的背后，也有我的一小份力量。
記者：你對(duì)正在擴(kuò)建的二期項(xiàng)目有什么期待？
景明坤：中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行二期擴(kuò)建，科研人員期待它將來(lái)變成全球深地科學(xué)研究中心，屆時(shí)不同的團(tuán)隊(duì)帶著各自待解的謎題，匯聚于此。我想，以后會(huì)有更多任務(wù)、更復(fù)雜的工作，我要不斷提升自己，去面對(duì)更多挑戰(zhàn)。我沒(méi)有想過(guò)未來(lái)還會(huì)堅(jiān)守多久，只希望能踏踏實(shí)實(shí)地把科研做下去。
記者 李欣憶
