在地下2400米探尋宇宙極致

    1月31日，四川涼山。中國錦屏地下實驗室，科研人員正進行實驗。

    2月1日，四川涼山。中國錦屏地下實驗室所在的錦屏山。

    1月31日，四川涼山。中國錦屏地下實驗室一期實驗室。

    今年春節是中國錦屏地下實驗室二期於2023年12月交付使用後的第一個春節。正逢新春佳節，許多科研工作者仍然駐守於此。

    和一般實驗室不同，它位於四川省涼山彝族自治州錦屏山內部，2400米埋深下，是世界最深、最大、最「純淨」的極深地下實驗室。

    「為了探尋暗物質，我們日夜不休。」中國錦屏地下實驗室清華大學牽頭的CDEX暗物質實驗組研究人員景明坤說。

    暗物質是什麼？

    「我們對於宇宙中95%的東西還摸不著頭腦，暗物質研究是人類認識和瞭解宇宙的新出發點。」清華大學工程物理系教授、CDEX暗物質實驗組負責人、中國錦屏地下實驗室物理科學部主任嶽騫解釋，暗物質指的是人類肉眼看不到，且使用天文望遠鏡和電磁學手段觀測都無法捕捉到的物質。

    儘管這道「微光」不知道何時才能出現，但當前，暗物質研究已經成為粒子物理學、宇宙學、天文物理學等學科的前沿課題。

    國投集團雅礱江公司項目管理工程師李宏璧解釋，輻射在人們生活的環境中無處不在，「如果在日常環境中開展暗物質探測，難度不亞於在人聲鼎沸的足球場尋找一根繡花針落地的聲音」。想要直接探測到暗物質，十分困難。

    一座能阻擋宇宙射線和自然環境輻射的實驗室，成為探測暗物質的必要條件。

    2008年，雅礱江公司為水電工程而建設的錦屏山隧道貫通。清華大學的科研人員從新聞中瞭解到，這一隧道長17.5公里，上方被約2400米的大理岩所覆蓋，正是他們一直在尋找的絕佳科研場地。雙方一拍即合，同意在隧道里共建我國第一座地下實驗室。

    2010年12月，中國錦屏地下實驗室一期建成投運，其室內宇宙射線通量僅為地表的一億分之一，填補了我國深地實驗室的空白。

    多年來，在此進行科研的清華大學、上海交通大學、中國原子能科學研究院等科研團隊不斷突破，取得了多項國際前沿的成果，他們對於空間的需求也越來越大。

    2020年，由清華大學作為法人單位，雅礱江公司作為共建單位、基於中國錦屏地下實驗室二期建設的「十三五」國家重大科技基礎設施項目「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」（以下簡稱「錦屏大設施」）項目開工建設，次年更是被列入國家「十四五」規劃。

    深地條件雖然有利於探索前沿科技，但對工程建設卻是不小的挑戰。

    李宏璧介紹，錦屏山岩體內的地下水量大、滲透性強，各個洞室還分佈著許多不規則的滲漏點。岩體自身與岩壁還會滲水，持續析出氡氣，「這是一種有較強放射性的氣體，會對實驗裝置造成干擾」。

    「防水抑氡」成為施工的大難題。

    如今，走入錦屏大設施，11萬平方米的洞室表面已經被一層米黃色的特殊材料所覆蓋，像是覆上了一層光滑的乳膠，但仍保留了岩壁原先凹凸不平的觸感。

    「凹凸排水板、土工膜、無紡布、噴塗速凝層……」中建三局錦屏大設施項目總工程師譚雷已經能準確複述實驗室「牆壁」所使用到的特殊材料，「就像是在岩壁上鋪了一層薄薄的雞蛋殼」。

    「防水抑氡」的目標，被分解為洞壁上的三層結構：防排水層、保護層和裝飾層。譚雷介紹，工程完成後，經過測試，圍岩釋放的氡氣，有99%被隔絕在實驗空間外。

    譚雷表示，「雞蛋殼」與常規的隧道施工工藝十分不同，他們並沒有在洞壁的基礎上進行二次襯砌，使得原本可能會達到30-40釐米的結構，減少到了10釐米。

    之所以如此設計，是為了儘可能滿足實驗設備對面積的需要。李宏璧表示，如今，錦屏大設施的實驗空間相較於一期寬敞很多，有8個約1000平方米的實驗空間，如果採用傳統結構施工，面積會小很多。

    此外，實驗室是一個追求極致「純淨」的特殊環境，項目建設的各種材料，都需要滿足低本底輻射的要求，即環境中原本就存在的放射性物質所產生的輻射應處於較低水平。

    以施工最常使用到的水泥為例，李宏璧告訴中青報·中青網記者，建設初期，因為沒有符合要求的水泥，整個項目停工待料了7個月，「雖然各式各樣的水泥都有，但施工前我們測試了市面上能買到的水泥，95%都不符合低本底輻射的要求」。

    景明坤的工作台上，擺滿了用圓形罐子裝著的建築材料樣品，他負責對工程可能使用到的物質進行本底檢測，「周圍天然的岩石輻射本底已經足夠低，因此我們要求，建築材料至少低於周圍岩石輻射本底的三倍值」。

    李宏璧介紹，為了讓水泥輻射對實驗的影響降到最低，雅礱江公司和清華大學與中建三局、水電五局等單位，聯合攻關各種技術難題，最終研發出一款符合實驗室建設要求的水泥，「花了7個月時間，終於解決了這一問題」。

    但這並不是終點。李宏璧說，水泥研發成功後，運送來的每一車水泥成品，還是要經過嚴苛的檢測，只有確保水泥的放射性水平符合要求，才能使用。「合格率相當高，200車水泥中大約會有1車不合格，且大多是運輸環節的問題，而不是研發、工藝環節的問題。」

    「螺螄殼里做道場」是這些實驗室建設者們最大的感受。

    李宏璧算了一個數：在錦屏大設施建設過程中，和水泥一樣，對各項指標有著嚴苛要求的設備和建材，共有141項。

    2015年畢業後，景明坤來到錦屏地下實驗室。他深知探尋暗物質的不易，由於暗物質與普通物質反應率很低，目前的實驗所使用的高純鍺探測器，一直等著暗物質主動來「撞」。「我們像是在‘守株待兔’。」景明坤說。

    嶽騫教授表示，在十幾年的堅持中，儘管他們沒有找到暗物質，但正一步步靠近真相。

    持續十多年的努力，終有成果。在錦屏地下實驗室的科學家們，於《物理評論快報》等物理學頂級期刊累計發表論文120多篇，其中多項物理成果國際領先。

    對宇宙的探索，更不止於暗物質。

    錦屏地下實驗室管理局副總工程師申滿斌介紹，錦屏大設施將形成33萬立方米的洞室空間，在這裏將打造包括暗物質、粒子物理、核天體物理、深地醫學、深度岩石力學等在內的多學科交叉的綜合研究平台。

    未來，越來越多的「追光者」，將在這裏擁抱科學的無垠大海。

中青報·中青網見習記者 劉胤衡 記者 王鑫昕 來源：中國青年報

2024年02月20日 08 版