锦屏山下，那座最“黑”的房子

钟和 刘明

能不能找到暗物质？谁也无法打包票。

谁也无法给出一个确切的时间表。唯一肯定

的是，这件事情一定要做。中国打造了一个

最“黑”的房子——寻找暗物质的中國锦屏

地下实验室，在等待一次足以载入史册的碰

撞。

科研人员早己发现，如果仅存在人们已

经探测到的物质，宇宙根本不应该是现在这

副模样，一定有什么别的东西在起作用。

暗物质，得名于其不发射任何波段的电

磁波，也不与任何电磁波发生相互作用。它

如此没有“存在感”，但又如此鲜明地影响

着人类对宇宙的认知——迄今的研究和分析

表明，暗物质占据宇宙物质总质量的80%以

上。

发现并研究暗物质，可能引发物理学的

革命。

暗物质粒子每时每刻都在穿透我们的身

体，但人体无知无觉。甚至只有最精密的仪

器，才可能捕捉到它与原子核碰撞产生的微

弱信号。

而这些信号，又散布于宇宙射线与探测

器碰撞产生的大量背景信号中。它如同一束

微光，只有在足够黑的房子，用上足够精巧

的仪器，将一切推到极限，才可能“看

到”。

科研人员为这间足够黑的房子，找到了

一个绝佳地址。

“黑”屋藏“娇”

从凉山西昌乘车一路向北，经过漫水

湾，再驶入锦屏水电站专用公路。一路上，

隧道连着隧道，高山夹着高山。约两个小时

后，锦屏山隧道的入口展现眼前。“中国锦

屏地下实验室”的标志，便挂在此处。

中国水电泰斗、两院院士潘家铮曾经这

样形容锦屏的环境：“峰如斧劈江边立，路

似绳盘洞里行。”

雅砻江奔流至木里、盐源、冕宁三县交

界处，因被锦屏山阻隔，骤然掉头，拐向东

北方，形成长达150公里的锦屏大河湾。锦屏

一、二级电站，就选址在大河湾东西两端。

连接两座电站的锦屏山交通隧道，成为这浩

大水利工程的两条主动脉。

它们从锦屏山底部穿过，最大埋深将近

2400米，埋深大于1500米洞段占隧道总长的

73.1%。2008年8月8日，两条各17.5公里的

锦屏山交通隧道实现双洞贯通。当时的报道

称，这是在汹涌的雅砻江上创造了奇迹。

工程奇迹，在科研人员眼中，成为“天

赐良机”。岩层，是宇宙射线的天然屏蔽

层。

此前的中国，并没有自己的地下实验

室。“许多相关研究无法进行，或者只能与

国外有条件的实验室联合开展工作。”清华

大学常务副校长、中国锦屏地下实验室主任

程建平教授告诉科技日报记者。

2009年，清华大学与二滩公司（现雅砻

江流域水电开发有限公司）签订合作协议，

在锦屏山隧道中间位置修建实验室。2010年

12月，锦屏地下实验室投入使用，成为我国

首个极深地下实验室，也是全球最深的地下

实验室。

经测定，锦屏地下实验室内的宇宙射线

通量可以降到地面水平的千万分之一到亿分

之一，是目前国际上宇宙射线通量最低的地

下实验室。而且，实验室周围岩石的放射性

水平也很低。“可以说，中国锦屏地下实验

室拥有国际一流的实验环境。”程建平说。

目前，国际上正在运行和建设的地下实

验室有数十个，主要分布在发达国家。地下

实验室是开展粒子物理学、天体物理学及宇

宙学等领域一些重大基础前沿课题的重要研

究场所和良好的低本底环境。

车辆扎入隧道，前行大概20分钟，就到

了锦屏地下实验室一期门口。其实，如果不

是老司机领路，你很难在昏暗的隧道中，发

现这处低调的存在。

实验室一期的容积为4000立方米。目前

中国锦屏地下实验室己经批准两个暗物质实

验项目在其中运行，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。进入实验

室，穿过一条狭长走廊，最先看到的是上海

交通大学主导的“PandaX项目”暗物质探测

装置。他们采用液氙技术，当暗物质和氙原

子发生碰撞，氙原子会发光，同时也会产生

自由电子。

再往里走，就进入了清华大学主导的

CDEX合作组实验室。他们用的是高纯锗阵列

探测器，要捕捉的是暗物质粒子与锗晶体碰

撞时产生的信号。

两个项目组使用的方法，都是直接探

测，即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。

其实，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。前

者是探测暗物质对互相碰撞、湮灭时产生的

标准模型粒子。我国2015年年底发射的暗物

质探测卫星就正在太空中寻找暗物质碰撞留

下的痕迹。后者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。

CDEX合作组的核心装置高纯锗探测器，

藏在白色聚乙烯伸缩门后。它是世界上首个

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。

探测器身处重重保护之下：1米厚的聚乙

烯材料，用来慢化和吸收中子；20厘米厚的

铅层，用来屏蔽外部伽马射线；20厘米厚的

含硼聚乙烯，目的是吸收热中子；20厘米的

高纯无氧铜，则要屏蔽外部铅和含硼聚乙烯

的伽马射线……

屏蔽，是要给它一个极黑的世界，最好

不要漏入一丝外来的光。

运行6年，锦屏地下实验室取得的成果，

已经将中国的研究团队推向了寻找暗物质的

前沿：2013年CDEX实验组在国际上发表了中

国第一个自主暗物质研究成果，研究水平达

到国际第一阵营。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，确定性地排除了美国CoGeNT实验组

多年来宣称的暗物质存在区域。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，对可能的

暗物质候选对象给出了最新的限制。

从实验室一期出来，再往里走上500米，

就到了实验室二期。它由4条子隧道构成，

总容积达30万立方米，被分成8个不同的主

实验室和其他公共区域。

实验室二期奔着“更黑”而去，连施工

所用水泥的辐射量，都必须限定在一定范围

内。清华大学工程物理系副研究员曾志特別

为此选定了一种中热水泥。每批水泥运来，

团队都要先用伽马谱仪对其辐射量进行严格

测定。“低本底环境的营造是一项综合工

程，细节全部都要考虑到。”曾志说。

“以前这里只有套别墅，清华大学和上

海交大住在这儿。现在，国内外其他科研机

构也需要这样的条件。所以，我们得扩建出

—个小区。”程建平打了个比方。

“小区”的土建工作已经完成。建“小

区”，同样困难重重。就连通风这样的问

题，放到地下，也变得棘手。

实验室一期的通风管贴着隧道上方洞

壁，一直延伸至洞外。但二期实验室所需通

风管直径更大，原有方法无法照搬。

通风系统是二期实验室建设的关键工程

之一。清华大学和雅砻江公司研讨后提出方

案：通风管可以从隧道下方的排水洞走。

为摸清排水洞内情况，2016年1月下旬，

一个勘察小组成立了。成员们穿着防水服、

救生衣，戴上头盔，拿上探照灯、对讲机还

有铁锹，进了洞。

4个小时，勘察小组走了2.6公里。他们

最终确认，风管安装施工可以在排水洞进

行。

如今，“小区”的建设正在顺利推进。

程建平表示，“小区”建成后，锦屏地下实

验室将有望逐步发展成为国家级的面向世界

开放的基础研究平台。越来越多的国内外科

研团队将来到这个科研殿堂，在暗物质、中

微子、核天体物理和深地岩石力学等领域开

展研究，破译前沿基础科学问题的密码。

获得尖端成果

2016年7月21日晚，上海交通大学鸿文讲

席教授、中国锦屏地下实验室PandaX（熊猫

计划）实验负责人季向东博士在英国举行的

两年一度的国际暗物质大会上正式公布了

PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行

的第一个物理结果，在3.3万公斤/天的曝光

量下，未发现暗物质粒子踪迹，对可能的暗

物质候选对象得出了最新的限制。这一探测

的灵敏度处于当前世界最高水平。

PandaX暗物质实验是由上海交通大学牵

头，国内多个合作单位包括北京大学、山东

大学、中科院上海应用物理研究所、中山大

学、中国科学技术大学、中国原子能科学研

究院和雅砻江流域水电开发有限公司等参与

的首个大型液氙暗物质地下直接探测实验。

美国马里兰大学和密西根大学的科学家也参

加了这个实验。

实验合作组由从马里兰大学回国的上海

交通大学国家千人计划专家季向东教授在

2009年组建和领导。实验室建在由清华大学

和雅砻江流域水电开发有限公司开发的锦屏

深地实验室之中。

根据最新天文学和宇宙学的研究，暗物

质代表了宇宙中约85%的物质含量。但是，由

于与普通物质没有直接电磁相互作用，所以

暗物质不发光，类似于“幽灵”，无法用通

常的办法看到。

科学家们普遍认为，暗物质粒子与普通

物质之间极有可能存在一种微弱的相互作

用。这个作用能使物理学家通过卫星上的探

测器，如中国最近发射的“悟空”，或是发

现上帝粒子的欧洲核子中心大强子对撞机，

或是类似PandaX的深地暗物质探测器来寻找

暗物质。但这个作用太过微弱，暗物质粒子

可以轻松穿过地球，这使探测起来异常困

难。

PandaX实验用氙原子作为探测靶子，采

取“守株待兔”的方式，探测弥散在地球周

围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙

原子上而发生的微弱信号。碰撞会转化为氙

原子的反冲能，在探测器中发光、发电。光

和电信号都可以通过灵敏的光电管作为“事

件”记录下来。PandaX实验首次采用了110个

新型三英时的光电倍增管来进行记录。

最新结果相当于3.3万公斤的氙原子在一

天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次

碰撞，或者一公斤的氙原子在3.3万天里没有

發生过一次碰撞。这对可能的暗物质粒子作

出前所未有的实验限制。而这些限制使暗物

质粒子的“性质”越来越明确，这对暗物质

理论研究提供了非常重要的信息。事实上，

过去的暗物质探测结果已经排除了多种暗物

质理论，而最流行的超对称暗物质理论也已

受到越来越强的约束。

这种探测实验最困难的地方是探测器中

可能存在多种外来干扰，这些干扰也会产生

光电信号。即使把实验室建在2400米深的山

体下，用上百吨的高纯材料把探测器层层包

围起来（这些对暗物质探测毫无影响），在

从2016年3月到6月底近i00天的运行中，

PandaX探测器记录了约3千万次的事件。

这些事件可以高效地通过计算机数据处

理的办法，进行甄别，一一排除。最后剩下

的可疑事件只有一个，该事件发生在北京时

间2016年6月11号3点3分6秒。通过细致分

析，这个事件来源于探测材料的放射性，而

不是暗物质。能这样很干净地排除本底干扰

显示出PandaX探测器在暗物质探测方面巨大

的优越性。

负责实验数据分析的上海交通大学特聘

教授刘江来表示，这次数据分析挑战性最高

的地方在于利用一个全新的探测器对所有探

测到的事件进行“模式识别”，用前所未有

的精度来甄别暗物质信号和背景“噪声”。

由于国际竞争的紧迫性，在PandaX的分析团

队放弃了所有周末休息时间，每天花十四小

时以上分析和讨论，在极短时间内完成了数

据分析工作。

PandaX所用的500公斤级探测器是

PandaX合作组自主研发的，在上海交通大学

实验室里建造，可以对一个光子或一个电子

进行灵敏探测。这是全世界运行中最大的暗

物质探测器，灵敏度也最高。在该首个i00天

的运行后，PandaX合作组正继续采集数据进

行更高灵敏度的探测，将在今后一个时期内

领先世界探测水平。

PandaX实验所在的四川锦屏山是个人迹

罕至的地方。实验室在17公里隧道的中央，

在现场参与实验工作的生活条件比较艰苦。

PandaX合作组成员从2012年起有多位成员常

年在该实验室工作，包括春节和其它节假

日。

负责二期实验运行的博士生谈安迪在锦

屏连续工作三百多天，他表示，“经历诸多

挫折与内心的煎熬，最终攻克探测器研发与

运行中遇到的各种问题，达到世界领先的灵

敏度，心中是满满的幸福。对于一个科研工

作者来说，还有什么比像这样站在人类对自

然认知的边缘再往外迈出一小步来的令人振

奋。“谈安迪在这个国际大会上报告了实验

数据详细分析的过程。

中国科学院院士、中国科学院高能物理

研究所原所长、科技部十三五重大项目组组

长陈和生表示，PandaX二期实验的最新结果

表明，中国深地暗物质探测实验已经处于国

际领先水平。

中国科学院院士、中国科技大学教授、

著名高能物理实验学家赵政国表示，

PandaX二期暗物质实验是国际当前运行中最

大规模的实验。在这个国际竞争如此激烈的

领域，他们利用短短100天的数据便得到了国

际领先的对暗物质和普通物质作用的上限，

难能可贵，可喜可贺！这个结果表明，中国

的科学家在探索宇宙、探索自然的最尖端领

域，在中国本土也可以做出国际领先的成

就。

参加国际暗物质大会的科学家对

PandaX实验组的结果反应非常热烈，纷纷表

示祝贺。美国能源部主持暗物质项目的官员

Salamon博士表示对PandaX的结果令人震惊

（stunning）。著名的法国原子能院实验学

家Giomataris博士表示PandaX的结果非常引

人注目（impressive）。国际XENON合作组成

员、荷兰国家实验室的Tiseni博士表示这次

会议的“明星”是PandaX实验。

PandaX实验受到教育部、上海交通大

学、中国锦屏地下实验室以及其他合作单位

的大力支持。科技部、中国自然科学基金

委，以及上海市科委和香港鸿文基金会都对

PandaX项目有重要资助。

“捕手”后来居上

2017年底，暗物质粒子探测卫星“悟

空”发表了首篇科学论文，打开了暗物质观

测的新窗口。其实，在暗物质探测领域，我

国不仅在空间探测上有所作为，地面探测也

可圈可点——中国暗物质探测实验“熊猫计

划”（PandaX）获得的数据，多次成为当年

世界最好结果。在位于四川凉山彝族自治州

的锦屏山下，在覆盖着2400多米岩石的极深

地下，科学家们正在捕捉暗物质存在的最直

接证据，不断刷新对暗物质粒子性质的限制

纪录，为人类探索自然界奥秘贡献中国力

量。

2400米深的中国四川锦屏山山体内，中

国首个极深地下实验室里的大型暗物质探测

器日夜运转。

“如果把探测器中的原子比作一片树

林，暗物质粒子则是成群结队飞奔而来、呼

啸而过的兔子，难免有一只或几只不长眼的

家伙迎头撞死在某棵树下，被农夫捕获。”

上海交通大学鸿文讲席教授、“熊猫计划”

（PandaX）项目负责人季向东为我们讲述锦

屏山深地隧道中正在进行的PandaX。

从2014年3月23日取数到今天，PandaX己

连续运行三年零六个月。2016年、2017年的

两年问，PandaX发布的数据都是当年全世界

最好的探测结果。“不断地改进仪器的灵敏

度，有一天我们可能会探测到暗物质。对暗

物质性质的研究，将使人类认知产生一个飞

跃。”季向东说，“即便有一天我们探测不

到暗物质，对暗物质的研究终将刷新人类对

于世界的认知。”

科学家认为，人类的身边游离着数量众

多的暗物质，看不见、摸不着，总量大约是

常规世界物质的6倍。过去十多年，许多科

学家穷尽各种实验方法，试图与占据宇宙质

量85%的暗物质“接触”。这是全世界公认的

人类21世纪最重要的科学问题之一，所有的

实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信

号。

2009年以前，中国本土的暗物质研究还

是一片空白。改变始于锦屏山。2008年8月

8日，北京奥运开幕当天，锦屏山交通配套隧

道贯通。得知這一消息的物理学家们兴奋

了，他们敏锐地感到，中国缺乏开展暗物质

研究条件的历史，或许将被改写。

2009年3月17日，季向东第一次来到锦屏

山。那时锦屏山隧道刚贯通半年多，洞壁一

直在冒水。穿着长雨靴，深一脚浅一脚，季

向东进了隧道。那天，一行共7人，现任上

海交通大学校长的林忠钦院士带队，还有清

华大学、中科院、美国普林斯顿大学、加州

大学洛杉矶分校的几位教授。

站在隧道中间，头顶上是厚达2400多米

的山体。整条隧道70%以上的部分，埋深大多

在1500米以下。在极深的地下，绝大多数宇

宙射线被隔离，岩层越厚，屏蔽效果越好，

实验环境也越纯净，隧道岩层所含的放射性

之低也出乎意料——锦屏山底是暗物质探测

的绝佳宝地。

兴奋，激动，热望，在泥浆满地的煤黑

色隧道中央，雅砻江流域水电开发有限公司

和清华大学共建中国首个极深地下实验室，

“PaadaX”计划随之起步。

季向东说，起名“熊猫计划”，一来锦

屏山所在的四川是熊猫的家乡，二来也是一

个有趣的巧合——“粒子和天体物理氙探测

器”（Particle AND Astrophysical Xenon

Detector）的英文简写里本来就有这几个字

母。实验原理是用提纯的惰性元素氙（xe）

作为“靶子”来寻找暗物质，由上海交通大

学牵头，国内多个合作单位包括北京大学、

山东大学、中科院上海应用物理研究所、中

山大学、中国科学技术大学、中国原子能科

学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等

共同参与。

PaadaX项目的出现，对世界上液氙暗物

质直接探测领域进行了“重新洗牌”——这

一领域最有影响力的实验主要是在意大利

Gran Sasso国家地下实验室进行的XENON暗物

质实验、美国南达科他州的大型地下氙项目

LUX，以及中国锦屏山实验室的PandaX项目。

早在2014年Pandax项目取得首个结果时，

《科学》杂志就以《探索暗物质，中国团队

迎头赶上》为题，进行了报道。

暗物质粒子与普通物质之间极有可能存

在微弱的相互作用，物理学家通过探测这种

作用来寻找暗物质。

2017年8月，季向东在美国举行的2017年

度国际高能粒子天体物理大会上，宣布了

PandaX项目合作组最新暗物质探测实验结

果，再次刷新对暗物质粒子性质限制的世界

纪录。这是PandaX继2016年7月发布580公斤

级探测仪的首个探测结果后，第二次发布国

际最灵敏暗物质探测结果。

季向东介绍，PandaX实验用氙原子作为

“靶子”，探测弥散在地球周围的成千上万

亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生

的微弱光电信号。“我们把氙气高度提纯，

在-100℃的低温下使它成为液体，制作成液

氙探测器。在首个PandaX实验中，使用了一

个由聚乙烯、铅及高纯铜组成的100吨屏蔽体

屏蔽掉山洞岩石的放射性，研发了一个120公

斤级的液氙探测器。”季向东说，所有的实

验过程都是“摸着石头过河”，没有现成的

经验，遇到了很多意想不到的困难，这一路

都是在不断的失败和尝试中走过来的。

理论上讲，“森林”里的“树”越多，

捕获“兔子”的可能性就越大。在2014年完

成120公斤级“熊猫一期”探测仪的基础上，

PaadaX合作组自主研制了580公斤的“二期”

探测仪。后者是目前国际上最大的暗物质直

接探测仪器之一，也是灵敏度更高、“树

木”更多的“密林”。2016年7月21日晚，

在英国举行的两年一度的国际暗物质大会

上，季向东向全球同行公布了PandaX二期液

氙暗物质探测器运行的第一个物理结果，在

每天3.3万公斤的曝光量下，未发现暗物质粒

子踪迹，对可能的暗物质候选对象得出了最

新限制。这一探测的灵敏度处于当时世界最

高水平。

随后的一年里，PandaX二期合作组对该

探测仪进一步降低噪音，并进行了长时间运

行，使探测器对暗物质和普通物质相互作用

的探测灵敏度提高了3倍多。为了尽快发布

探测结果，上海交通大学刘江来教授带领多

位研究人员通宵达旦工作，发布的探测结果

再一次刷新对暗物质粒子性质限制的世界纪

录。

“尽管我们目前还没有发现暗物质的踪

迹，但这些实验结果使暗物质的轮廓越来越

清晰，我们正处在发现暗物质的边缘。”季

向东表示。

在锦屏山的隧道中央，清华大学牵头的

CDEX研究计划也在持续进行，他们选择了高

纯度锗作为“靶子”，提出利用极低能量阈

高纯锗探测器探测较低质量范围的暗物质粒

子的研究计划。

2015年12月，由紫金山天文台暗物质与

空间天文研究部和中国科技大学、中科院兰

州近代物理研究所、中科院高能物理研究所

等合作研发的暗物质粒子探测卫星“悟空”

发射升空，标志着中国正式进入暗物质空间

探测领域。如今，“悟空”正在陆续产出科

研成果。

这三个项目是目前中国暗物质探测的主

要科研团队。在与世界“赛跑”的同时，中

国的暗物质“捕手”后来者居上，不断刷新

“世界纪录”，领跑暗物质探测的国际前

沿。

“中国的三支暗物质探测队伍虽然使用

了不同的探测途径，但都在各自实验的基础

上取得了非常好的成果。”季向东说，“在

未来的时间里，Pandax项目打算进行4吨级液

氙探测器探测实验，甚至联合世界科学家进

行30吨级液氙探测器的大型实验，一步一步

将实验向前推进，相信会有乐观的结果产

生。”

“暗物質研究的意义非常重大，中国的

科学家有能力为人类探索未知宇宙做出自己

的努力。”季向东说。

（责任编辑：何万敏）