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作者| 鸿鹄，科技爱好者
锦屏山位于雅砻江之南，海拔4200米，雅砻江奔流至此改道，形成了长达150公里的U形大河湾，大河湾东西两端建起了锦屏一、二级电站，为此又开凿了连接两座电站的锦屏山交通隧道。在这条隧道的基础上，中国建立了首个极深地下实验室，垂直岩石覆盖达2400米，是国际上岩石覆盖最深的地下实验室。
看到这里，你可能要问：建这么深的实验室到底是为了什么？在这里建实验室有什么好处吗？
下面就让我们介绍一下这个“神秘”的实验室——锦屏极深地下暗物质实验室。
（锦屏极深地下暗物质实验室是世界上岩石覆盖最深的实验室）
（一）什么是“暗物质”？
说起暗物质，大家可能都不陌生。最近上映的《复联3》中，灭霸收集的六颗无限宝石中，就有这么一颗可以把普通物质变成暗物质的真实宝石。在《雷神2》中，黑暗精灵就运用了这颗宝石，还差点毁灭了宇宙。
那么，暗物质真有这么可怕吗？它为什么会发“暗”？
生活中，人们能看得见各种物质，是因为这些物质携带了电子，能够“发光”，而近一步触摸这些物质，你就能感知它们的存在，这是由于它们产生了电磁场的相互作用。
但与之相对的，暗物质不带电荷，且缺少电磁场的相互作用，无法通过电磁波进行观测，就像是“幽灵”一样无法被“感知”。
然而就是这样的东西，却被科学家认为是宇宙大爆炸的产物，决定了宇宙的演化与未来。
而且，在现有的科学理论模型中，科学家能解释的普通物质只有不到5％，而从未探测到的暗物质与暗能量占宇宙构成的95%。所以，暗物质与暗能量对完善现有的基础物理学有重要意义。
暗物质与暗能量被认为是本世纪物理学上的两朵“乌云”。要知道，上个世纪物理学出现的两朵乌云，导致了相对论和量子力学的诞生，影响至今。所以“什么是暗物质”一直被列为在21世纪必须要解答的首要科学问题。
暗物质虽然距离人类生活还比较遥远，研究的价值和意义短期内还无法凸显，但揭开暗物质之谜，毋庸置疑将带来物理学的又一次革命。
（暗物质和暗能量占据了宇宙的大部分）
（二）锦屏地下实验室：世界上最“干净”的地下实验室
目前物理学家普遍认为，暗物质虽然质量很大，但其作用力却微乎其微，跟普通物质几乎不产生相互作用。也就是说，即使每天有数不尽的暗物质从你身体穿过，你也无法感知。所以，想要直接探测到暗物质是很困难的。
为了直接探测到暗物质，科学家设计了巧妙的实验，让原子核与暗物质发生碰撞，通过探测碰撞产生的信号，来研究暗物质。
但在地面上，不仅有无处不在的宇宙射线，还有生活中产生的各种辐射，这些都严重干扰了暗物质的探测，使得碰撞产生的信号很难有效地被鉴别。
而处于极低辐射环境的极深地下实验室，能最大程度地屏蔽宇宙射线等的影响，让探测器探测到有效的信号，是开展暗物质探测的重要研究场所。
（中国首个极深地下实验室）
地下实验室能够有效地屏蔽宇宙射线，其奥秘就在于它所处的岩石层。
锦屏地下实验室所处岩石层的天然放射性非常低，一些主要岩石放射性低于地表正常环境的几十分之一到几百分之一。而且实验室垂直岩石覆盖厚度达2400多米，能够屏蔽绝大多数的宇宙射线。
所以，该实验室的宇宙射线通量，远远少于加拿大岩石覆盖厚度2000米的斯诺实验室，大约相当于地面水平的亿分之一，可以说这里是世界上最“干净”的地下实验室。
（地下实验室位置和屏蔽层结构）
所谓最“干净”，是指锦屏地下实验室辐射最少、杂质最少。为了这个地下实验室更 “干净”，实验室外层还增加了特殊的防护：1米厚的聚乙烯材料（阻拦和吸引中子）、20厘米厚的铅层（屏蔽外部的伽马射线）、20厘米厚的含硼聚乙烯（进一步吸收剩余中子）和10厘米厚的高纯无氧铜（阻挡铅材料本身及外部其他材料中的伽马射线）。经过这些防护后，可以说，锦屏地下实验室已经屏蔽掉了目前能想到的一切辐射源。
正是这样的防护水平，加上得天独厚的地下实验条件，让中国科学家获得了许多关于暗物质研究的宝贵数据，使得中国对于低质量区暗物质粒子的探测灵敏度第一次达到了国际一流水平，确立了中国在国际暗物质探测领域内第一阵营的地位，极大地提升了中国在暗物质研究领域的研究水平和国际影响力。
（三）地下实验室是怎么“捕捉”暗物质的？
一般来说，暗物质探测主要有3种方法，除了直接探测，还有间接探测和加速器实验。
间接探测就是探测暗物质粒子发生衰变或者湮灭之后产生的稳定的高能粒子，这一类探测通常是在高空或者太空进行的，如中国2015年年底发射的暗物质探测卫星“悟空”号。
加速器实验则是利用加速器将标准模型粒子加速到高能量后对撞，通过测量对撞丢失的能量来反推暗物质的各种性质。
（2015年中国就发射了暗物质粒子探测卫星“悟空”号，是目前寻找暗物质的另外一种方法）
目前，中国锦屏地下实验室有两个暗物质实验项目组，一个是清华大学领导的CDEX（中国暗物质实验）高纯锗暗物质实验，一个是上海交通大学领导的PandaX（熊猫计划）液氙暗物质实验项目。这两个项目组采用的都是直接探测的方法，就是测量暗物质粒子直接碰撞普通物质引起的反冲核的数量和能量。
其中，清华大学项目组的核心装置高纯锗探测器是世界上首个公斤量级点电极高纯锗探测器，可在质量小于10GeV的暗物质研究热点能区开展轻质量区暗物质探测研究。2014年，CDEX实验组获得了在10GeV以下能区里同类探测器最灵敏的实验结果，排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的暗物质存在区域。
而上海交通大学项目组采用液氙技术，也取得了很多突破成果。
液态氙是一种冷物质，重量是水的3倍，其作用是探测微弱的相互作用粒子，当暗物质跟氙原子发生碰撞时，氙原子就会发光，同时也会产生自由电子。
上海交通大学项目组采用液氙技术，就是在液态氙容器内想方设法地探测到这些微弱的光和自由电子，并且排除其他信号造成的误判，从而捕捉到“暗物质”。
2016年，PandaX二期500公斤液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果公布，在3.3万公斤/天的曝光量下，未发现暗物质粒子踪迹，不过探测器对可能的暗物质候选对象给出了最新的限制，极大地缩小了暗物质存在的范围。
在过去的20年里，像这类前沿的基础科学问题，主角还只是欧美的科学家，中国科学家想要从事相关研究，只能是到外国去，参与国外的科研项目。而现在，中国已不甘于在这类研究中充当西方研究机构的配角，正准备以大胆的步伐颠覆粒子物理研究领域的格局。
（四）从一期到二期工程：越来越“黑”，也拥有更多的黑科技
在锦屏地下实验室之前，中国并没有自己的地下实验室。在锦屏上设立中国第一个极深地下实验室，可以说是借了锦屏山隧道工程的光。
实验室所在的锦屏山隧洞工程总共包括两条交通隧洞、4条长度相当的引水隧洞和1条排水隧洞，是世界上规模最大的水工隧洞群，需要克服高地应力、高压涌水等难题。
其中难度最大的两条交通隧道在2008年实现双洞贯通（长17.5公里），隧洞的埋深大于1500米的洞段占隧道总长的73.1%，最大埋深将近2400米，是中国第一、世界第二埋深的交通隧道，可以说是中国在汹涌的雅砻江上创造的工程奇迹。
锦屏地下实验室一期就是利用了这条交通隧道，在其侧面开挖长40米，宽、高各为6米的空间。相比与国外其他“脱胎”于矿井的地下实验室，这里的交通更为便利，不用坐电梯上下，直接搭乘汽车就能到达，而且在隧洞基础上修建，节省了大量的资金、设备等的投入，也让这个实验室的初期投入得到了合理的控制。
当然，“省事”并不代表效果不好，隧道上方为厚达2400米的山体岩石，使得这个极深实验室的实验环境具有天然的优势，与国外动辄数亿建设经费的地下实验室相比，锦屏地下实验室可以说是花小钱办大事的典型了。
（地下实验室一期建立在隧道的一侧）
目前在建的二期工程就是打算在一期4000立方米的基础上扩容到12万立方米。二期所在的位置，在实验室一期往里500米，由4条子隧道构成。二期的整体目标是朝着“更黑”而去（外界影响辐射本底值更低），所以，即使是修建实验室用的水泥，其辐射量都要事前用伽马谱仪进行严格测定，使其限定在一定范围值以内。
二期工程完工以后，新的仪器平台也将投入使用，比如中国自主研制的高纯锗探测器，该系统将展开吨量级的高纯锗阵列探测器暗物质实验，有望在现有的基础上将探测灵敏度进一步提升两个量级。而这一探测器阵列需要在液氮环境下工作，储存液氮的液氮罐就在二期一个6层楼深的“基坑”里。
（地下实验室一、二期示意图）
锦屏地下实验室的二期工程包括4组共8个实验室及其辅助设施，能够容纳更多的深地科学领域实验项目同时开展。而且这个实验室是面向世界开放的，对欧美的相关研究人员而言，这个实验室就是开展此类研究的天堂，有一些美国物理学家甚至表示打算留在那里工作。
二期工程的完工和投入使用，将使得中国极深实验室的研究能力提升一个台阶，对暗物质等前沿科学问题的研究也会有新的飞跃。
结语
锦屏极深地下暗物质实验室的建造代表了中国世界级洁净低辐射平台的水平，标志着中国在粒子物理等先进学科领域取得的领先地位, 对于中国自主研究重大基础前沿课题有着重大意义。
我们相信，随着二期完工和投入使用，中国科学家将更加接近发现暗物质的边缘，并有望给出“暗物质是什么”这个世界前沿科学问题的答案。
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