中国的大手笔——锦屏地下实验室

文|松 园

中国的大手笔
——锦屏地下实验室

文|松 园

有了这个实验室，我国科学家就可以自主地开展暗物质探测和其他类似的国际前沿基础科学研究。中国从此有了一个世界一流的洁净低辐射极深地下实验室。

向地下进军

2010年12月12日，我国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用。它的垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界上岩石覆盖最厚的实验室。有了这个实验室，我国科学家就可以自主地开展暗物质探测和其他类似的国际前沿基础科学研究。中国从此有了一个世界一流的洁净低辐射极深地下实验室。

极深地下实验室是开展暗物质直接探测工作的必要场所。目前，美国、英国、法国、意大利、日本等国家已经建立了自己的地下实验室，例如，美国正在一个废矿井中建设他们的地下科学与工程实验室——杜赛尔地下实验室，预计2018年建成，其最深处约为2300米。日本也于2010年10月在位于岐阜县飞鳍市神冈矿山的地下1000米处建起了“XMASS”地下实验室。“XMASS”是一种暗物质探测设施，其中装有探测暗物质的液氙探测器。英国也希望成为在世界上最早发现暗物质的国家，已于2010年启用了一个深达350米的地下实验室。与此同时，世界其他一些国家也在积极开展这方面的工作，他们都想把实验室建在更深的地下。

在锦屏地下实验室建成以前，我国还没有很好的地下实验室，特别是极深地下实验室，因此许多相关研究无法自主展开，这给我国的暗物质研究和其他基础前沿科学的研究造成了很大的局限性。锦屏地下实验室的建成一改过去的被动局面，使我国科学家能够自主地研究暗物质及其他相关的前沿科学项目，为我国基础前沿科学的发展提供了一个难得的研究基地。

锦屏地下实验室建在极深的地下，堪称地面探测暗物质必不可少的平台，这是因为暗物质的信号十分微弱，要探测到这种信号，人们需要尽可能地提高暗物质探测器的灵敏度。而提高灵敏度的途径无非有两条：一是提高探测器的质量；二是减少外来的干扰。这些干扰有些来自于环境和探测器的材料，更有些则是由宇宙射线带来的。它们可以穿透地面到达很深的地下，给探测带来噪声信号。因此地面上的暗物质探测便需要在很深的地下进行，这样，巨大的山体岩石和地表土壤会为探测器滤掉不必要的背景信号。地下实验室越深，对宇宙射线的屏蔽就越彻底，宇宙射线引发的噪声信号就越低，也就越容易实现探测的高灵敏度。

不仅仅是暗物质

地下实验室不但是开展暗物质研究的重要场所，而且是粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域一系列重大基础性前沿学科的重要研究场所，也是岩体力学、地球结构演化、生态学等学科开展相关实验研究的重要环境，更是低放射性材料、环境核辐射污染检测的良好场所。另外，科学家们可以借助极深地下实验室研究地球深部的地球物理，可以用它直接监测地表和地下的异常震动，从而准确了解岩体对地震的反应，推动地震预测研究的进一步发展。所以从长远看，极深地下实验室具有极为广泛的使用价值。我国科学家早在十几年前就在为建设地下实验室而寻找合适的地方了。2008年，当科学家们听到“世界第二深埋隧道——锦屏山交通隧道全线贯通”的消息后，非常振奋，因为他们意识到，建设我们自己的极深地下实验室的契机终于到来了。

锦屏山交通隧道是二滩水电开发有限责任公司为建设水电站而修建的，它有极厚的岩石覆盖层，洞内岩体天然放射性极低，非常适合开展暗物质探测等基础科学领域的探测实验。锦屏地下实验室就是利用这条地下隧道建成的，它位于锦屏交通隧道的中部，内部的实验环境非常理想，宇宙射线通量约为每年每平方米小于100个宇宙线的水平，约为地面水平的亿分之一，其天然放射性辐射比洞外的岩石都低，而如此厚的山体岩石屏蔽更是国外极深实验室所难以具备的。

当然，一个实验室的优劣不仅取决于其实验环境如何，而且还要看有没有便利的交通和后勤保障体系。锦屏地下实验室可以开车直达，周围的配套环境和生活设施很完善，可以说是国际上综合条件最好的极深地下实验基地。

中国的探测器

锦屏地下实验室的空间容积约为4000立方米，包括入口隧道、连接隧道和主实验厅三个部分，其中主实验厅长40米、宽6.5米、高7.5米，室内常年恒温恒湿，空气清洁。主实验厅又分为三个区，即暗物质探测实验区、低本底测量实验区、电子学与信号系统工作区。它采用专用的光纤网络，主实验厅又与位于隧道东端出口处的一个洞口实验室相连。洞口实验室用于采集并存贮地下实验室的各类信号数据，同时通过视频监控地下实验室的实验活动，所以平时研究人员可在洞口实验室工作和生活，在调试设备时再下到地下实验室中，而洞口实验室又通过电信专线与远程数据中心建立了数据通信联系，并可按要求与国内外合作单位共享数据资源。

科学家们将在锦屏地下实验室中安装几种高灵敏度的暗物质探测器，如清华大学采用的高纯锗探测器、上海交通大学采用的液氙探测器等。科学家们要把一组高纯锗探测器安装在中国锦屏地下实验室中，从而启动10千克的超低能量域高纯锗点接触探测器的暗物质实验研究计划。高纯锗点接触探测器由纯度高达99.9999999999%（简称12个9）的高纯锗晶体制成，是目前人类可以得到的纯度最高的晶体材料。当未知的粒子穿越重重屏蔽被高纯点接触锗探测器探测到后，与实验装置相连的测量装置就会有所反应，通过分析这些反应，科学家们可以获取未知粒子的测量参数，从而有可能发现暗物质粒子。这组实验由清华大学、四川大学、中国原子能科学研究院等单位合作进行。与此同时，上海交通大学则将使用液氙探测器在这里开展暗物质的直接探测，它的原理是当暗物质粒子与氙原子发生碰撞后会损失部分能量，从而使液氙产生光和电的不同反应，这个反应会被探测器捕捉到。此外，中国科学院高能物理研究所也将采用晶体探测器展开工作，这几种不同的探测可以互为补充，相互印证，从而增加探测活动的准确性和可靠性。

暗物质问题是粒子物理和宇宙学的核心问题之一，回答“什么是暗物质”已成为新世纪人类需要解答的首要科学问题之一。目前普遍的看法是，暗物质和暗能量是21世纪现代物理学面临的两大谜团，解开这两大谜团将极大地帮助我们认识物质世界和宇宙的演化过程。