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日夜不休，在地下2400米探寻宇宙极致

发稿时间：2024-02-14 19:18:00 作者：刘胤衡 王鑫昕 来源： 中国青年报客户端

 

　　中青报·中青网见习记者 刘胤衡 记者 王鑫昕

 

1月31日，四川凉山。中国锦屏地下实验室一期实验室外观。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　今年是中国锦屏地下实验室二期于2023年12月交付使用后的第一个春节。正逢新春，许多科研工作者仍然驻守于此。

　　和一般实验室不同，它位于2400米埋深下，四川省凉山彝族自治州锦屏山内部，是世界最深、最大、最“纯净”的极深地下实验室。

　　“为了探寻暗物质，我们日夜不休。”中国锦屏地下实验室清华大学牵头的CDEX暗物质实验组研究人员景明坤说。

　　足球场寻找针落地的声音

　　暗物质是什么？

　　“我们对于宇宙中95%的东西还摸不着头脑，暗物质研究是人类认识和了解宇宙的新出发点。”清华大学工程物理系教授、CDEX暗物质实验组负责人、中国锦屏地下实验室物理科学部主任岳骞解释，暗物质指的是人类肉眼看不到，且使用天文望远镜和电磁学手段观测都无法捕捉到的物质。

 

1月31日，四川凉山。中国锦屏地下实验室一期实验室。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　尽管这道“微光”不知道何时才能出现，但当前，暗物质研究已经成为粒子物理学、宇宙学、天文物理学等学科的前沿课题。

　　国投集团雅砻江公司项目管理工程师李宏璧解释，辐射在我们生活的环境中无处不在，“如果在日常环境中开展暗物质探测，难度不亚于在人声鼎沸的足球场寻找一根绣花针落地的声音”。想要直接探测到暗物质，十分困难。

　　一座能阻挡宇宙射线和自然环境辐射的实验室，成为探测暗物质的必要条件。

 

2月1日，四川凉山。中国锦屏地下实验室所在的锦屏山隧道。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　2008年，雅砻江公司为水电工程而建设的锦屏山隧道贯通。清华大学的科研人员从新闻中了解到，这一隧道长17.5公里，上方被约2400米的大理岩所覆盖，正是他们一直在寻找的绝佳科研场地。双方一拍即合，同意在隧道里共建我国第一座地下实验室。

　　2010年12月，中国锦屏地下实验室一期建成投运，其室内宇宙射线通量仅为地表的一亿分之一，填补了我国深地实验室的空白。

　　多年来，在此进行科研的清华大学、上海交通大学、中国原子能科学研究院等科研团队不断突破，取得了多项走在国际前沿的成果，他们对于空间的需求也越来越大。

　　2020年，由清华大学作为法人单位，雅砻江公司作为共建单位、基于中国锦屏地下实验室二期建设的“十三五”国家重大科技基础设施项目“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”（简称“锦屏大设施”）项目开工建设，次年更是被列入国家“十四五”规划。

　　一层鸡蛋壳保护极致纯净

　　深地条件虽然有利于探索前沿科技，但对工程建设却是不小的挑战。

 

2月1日，四川凉山。中国锦屏地下实验室所在的锦屏山隧道。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　李宏璧介绍，锦屏山岩体内的地下水量大、渗透性强，各个洞室还分布着许多不规则的渗漏点。岩体自身与岩壁还会渗水，持续析出氡气，“这是一种有较强放射性的气体，会对实验装置造成干扰”。

　　“防水抑氡”成为了施工的大难题。

 

1月31日，四川凉山。中国锦屏地下实验室二期实验场地。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　如今，走入锦屏大设施，11万平方米的洞室表面已经被一层米黄色的特殊材料所覆盖，像是覆上了一层光滑的乳胶，但仍保留了岩壁原先凹凸不平的触感。

　　“凹凸排水板、土工膜、无纺布、喷涂速凝层......”中建三局锦屏大设施项目总工程师谭雷已经能准确复述实验室“墙壁”所使用到的特殊材料，“就像是在岩壁上铺了一层薄薄的鸡蛋壳”。

　　“防水抑氡”的目标，被分解为了洞壁上的三层结构。

　　谭雷介绍：第一个结构层是防排水层，负责排水、抑制氡气渗入；第二个结构层是保护层，通过钢筋混凝土对防排水层进行保护；最后一个结构层是装饰层，能使得整个实验室环境的颗粒物可控、洁净。工程完成后，经过测试，围岩释放的氡气，有99%被隔绝在实验空间外。

　　谭雷表示，“鸡蛋壳”与常规的隧道施工工艺十分不同，他们并没有在洞壁的基础上进行二次衬砌，使得原本可能会达到30到40厘米的结构，减少到了10厘米。

　　之所以如此设计，是为了尽可能满足实验设备对面积的需要。李宏璧表示，如今，锦屏大设施的实验空间相较于一期宽敞很多，有8个约1000平方米的实验空间，如果采用传统结构施工，面积会小很多。

　　此外，实验室是一个追求极致“纯净”的特殊环境，项目建设的各种材料，都需要满足低本底辐射的要求，即环境中原本就存在的放射性物质，所产生的辐射应处于较低水平。

　　以施工最常使用到的水泥为例，李宏璧告诉中青报·中青网记者，建设初期，因为没有符合要求的水泥，整个项目停工待料了7个月，“虽然各式各样的水泥都有，但施工前我们测试了市面上能买到的水泥，95%都不符合低本底辐射的要求。”

 

1月31日，四川凉山。中国锦屏地下实验室，科研人员正进行实验。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　景明坤的工作台上，摆满了用圆形罐子装着的建筑材料样品，他负责对工程可能使用到的物质进行本底检测，“由于周围天然的岩石辐射本底已经足够低，因此我们要求，建筑材料至少低于周围岩石辐射本底的三倍值”。

　　李宏璧介绍，为了让水泥辐射对实验的影响降到最低，雅砻江公司和清华大学与中建三局、水电五局等一系列单位，联合攻关各种技术难题，最终研发出了一款符合实验室建设要求的水泥，“花了7个月时间，终于解决了这一问题”。

　　但这并不是终点。李宏璧说，在水泥研发成功后，运送来的每一车水泥成品，还是要经过严苛的检测，只有确保水泥的放射性水平符合要求，才能使用。“合格率相当高，200车水泥中大约会有1车不合格，且大多是运输环节的问题，而不是研发、工艺环节的问题。”

　　“螺蛳壳里做道场”是这些实验室建设者们最大的感受。

　　李宏璧算了一个数：在锦屏大设施建设过程中，和水泥一样，对各项指标有着严苛要求的设备和建材，共有141项。

　　守株待兔的探索永不止步

　　“我们像是在‘守株待兔’。”2015年毕业后，景明坤即来到锦屏地下实验室。

　　他深知探寻暗物质的不易，由于暗物质与普通物质反应率很低，目前的实验所使用的高纯锗探测器，一直等着暗物质主动来“撞”。

　　岳骞教授表示，在十几年的坚持中，尽管他们没有找到暗物质，但正一步步靠近真相。

　　持续十多年的努力，终有成果。在锦屏地下实验室的科学家们，于《物理评论快报》等物理学顶级期刊累计发表论文120多篇，其中多项物理成果国际领先。

 

2月1日，四川凉山。中国锦屏地下实验室所在的锦屏山隧道。中青报·中青网见习记者刘胤衡/摄

　　对于宇宙的探索，更不止于暗物质。

　　锦屏地下实验室管理局副总工程师申满斌介绍，锦屏大设施将形成33万立方米的洞室空间，在这里将打造包括暗物质、粒子物理、核天体物理、深地医学、深度岩石力学等在内的多学科交叉的综合研究平台。

　　未来，越来越多的“追光”者，将在这里拥抱科学的无垠大海。

责任编辑：原春琳
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