地下2400米國之重器投入運行！世界最深、最大深地實驗室為何在錦屏？

12月7日，中國錦屏地下實驗室二期極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設(shè)施（簡稱錦屏大設(shè)施）土建公用工程完工，具備實驗條件。這標志著世界最深、最大的極深地下實驗室正式投入科學運行。

首批來自清華大學、上海交通大學、北京師范大學、中國原子能科學研究院、中國科學院武漢巖土力學研究所等高校和科研院所的10個實驗項目組進駐開展科學實驗。

新華社視頻截圖

科學家為什么要千方百計“抓到”暗物質(zhì)？

暗物質(zhì)——雖然從未被“看見”，但天文學的各種觀測數(shù)據(jù)都表明了它的存在。自20世紀30年代開始，科學家們在猜想和不斷觀測中發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)廣泛分布在宇宙的各個角落，約占整個宇宙物質(zhì)質(zhì)量的85%，在物質(zhì)起源和宇宙演化過程中具有十分重要的地位。

天體物理學研究發(fā)現(xiàn)，在浩瀚的宇宙空間里，我們能夠觀測到的發(fā)光星體（包括發(fā)射X射線、γ射線的星體）的質(zhì)量僅僅只是宇宙空間里物質(zhì)總質(zhì)量的一小部分。宇宙膨脹行為的研究表明：宇宙的密度由約4.9%的普通物質(zhì)，26.8%暗物質(zhì)和68.3%的暗能量組成。這種視而不見又確實存在的東西到底是什么？科學家們姑且稱之為暗物質(zhì)和暗能量。

更嚴格地講，就是不參與電磁相互作用和強相互作用，但是參與引力相互作用的不可見物質(zhì)。

雖然，人們早已經(jīng)猜測到暗物質(zhì)可能存在，但一直以來從未明確探測到暗物質(zhì)粒子。暗物質(zhì)帶來的問題也因此被認為是“籠罩在當前物理學天空中的烏云”。

由于暗物質(zhì)既不發(fā)光，也不參與電磁作用，人們目前只能通過引力產(chǎn)生的效應感受到暗物質(zhì)的存在，為此，中國建立了首個極深地下實驗室——“中國錦屏地下實驗室”。

據(jù)清華大學工程物理系教授、中國錦屏地下實驗室物理科學部主任岳騫介紹，做暗物質(zhì)研究是重大基礎(chǔ)前沿課題，主要實驗研究方法包括探測暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)物的間接探測(上天)、暗物質(zhì)與物質(zhì)直接散射的直接探測(入地)、產(chǎn)生暗物質(zhì)的對撞機(人造)三種。錦屏地下實驗室便是屬于“入地”的研究方式。

這是7月4日拍攝的中國錦屏地下實驗室二期C廳洞壁上的防水抑氡層。該防水抑氡層有10厘米厚，可以有效防止巖洞內(nèi)地下水的滲透以及抑制巖層內(nèi)的有害氣體氡氣擴散。新華社記者 金立旺 攝

2400米極深地下，追尋宇宙“魅影”

錦屏山是位于金沙江第一大支流——雅礱江流域內(nèi)的一座大山，頂峰海拔4410米。中國錦屏地下實驗室就位于全長約17.5公里的錦屏山隧道中間位置，巖石垂直埋深達2400米。

2010年12月12日，“中國錦屏地下實驗室”正式揭牌。作為我國首個暗物質(zhì)實驗室，也是世界上最深、最大、綜合配套設(shè)施最好的地下實驗室，其空間相當于8艘中型航母的排水量，埋深相當于近5個上海世貿(mào)大廈高，實驗室內(nèi)部的宇宙射線通量約為地面的億分之一。在這樣的極特殊環(huán)境下，錦屏地下實驗室利用山體的厚巖層阻擋宇宙射線的干擾，為暗物質(zhì)實驗提供了十分“干凈”的測試環(huán)境。

這是7月4日拍攝的中國錦屏地下實驗室所在的錦屏山交通隧道口以及旁邊的雅礱江（無人機照片）

2012年，清華大學領(lǐng)導的CDEX實驗組在錦屏地下實驗室里獲得了第一批寶貴的數(shù)據(jù)，并展開了數(shù)據(jù)分析。2013年，實驗組的首個研究成果就發(fā)表在國際權(quán)威物理期刊《物理評論D》(Physical Review D)上，這是我國第一個自主開展暗物質(zhì)實驗研究的物理結(jié)果，更為可喜的是，該實驗成果對低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測靈敏度達到了國際一流水平，確立了CDEX實驗組在國際暗物質(zhì)探測領(lǐng)域內(nèi)第一陣營的地位，這極大地提升了我國在暗物質(zhì)這一重大基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域的研究水平和國際影響力。

目前，地下實驗室已具備“極低環(huán)境輻射”“超低宇宙線通量”“超潔凈空間”等方面的優(yōu)勢。除了暗物質(zhì)探測實驗研究以外，錦屏大設(shè)施還將開展包括中微子物理、核天體物理、巖石力學等領(lǐng)域的研究，今后將發(fā)展成涵蓋宇宙學、生命科學、巖石力學等多學科交叉的世界級深地科學研究中心，助力國家科創(chuàng)平臺“跨越式提升”。

暗物質(zhì)探測、核天體物理、中微子實驗……這些前沿基礎(chǔ)科學研究將為人類認識宇宙和文明進步帶來革命性的突破。我們期待這座山體里的洞室，在未來打開更多可能。

綜合來源：新華社、人民日報、中國錦屏地下實驗室官網(wǎng)、國投在線等