審覈專家：晁偉
北京師範大學副教授，理論物理博士
“人造太陽”再次刷新紀錄，國產大型客機C919實現商業運營，新疆鹽鹼地海鮮大豐收，醫用重離子加速器投入臨牀應用，首艘國產大型郵輪“愛達·魔都號”試航成功，世界最深地下實驗室等待暗物質“造訪”......2023年，我國科技不斷取得新突破，爲人類生活和發展帶來了新的可能性和機遇。
在建國74週年之際，數字北京科學中心爲大家帶來了特別欄目“大國科技範”，讓我們回顧一下今年在黨的領導下所取得的科技成果。
想象一下，在地下2400米，我們能看到什麼？
就在這樣的“深淵”中，深藏於四川涼山彝族自治州，一羣科研人員伴隨着原子核信號放大後的微微閃光，在不間斷運行的儀器旁凝神尋找、捕捉。
這裏，就是中國錦屏地下實驗室（CJPL）。
錦屏地下實驗室是我國首個暗物質實驗室，也是世界上最深、最大、綜合配套設施最好的地下實驗室。它位於四川涼山州地下2400米的錦屏山隧道內，能利用山體的厚岩層阻擋宇宙射線的干擾，爲實驗室建設創造得天獨厚的環境。
爲了保證實驗室建設精度，項目建設施工方通過“防水抑氡”等措施，力爭減小對洞室原極低輻射環境的影響。同時，還建設了大型組合式固體屏蔽裝置——聚乙烯屏蔽艙，來實現更低的輻射本底要求。
前段時間，這個實驗室的二期工程搭建完成，實驗室艙體正式進入潔淨施工階段，未來，它也將爲我國的基礎科學實驗提供十分重要的研究平臺。
看到這裏，也許大家還有點疑惑，這個實驗室有什麼厲害的高科技嗎？它研究的暗物質是什麼？有什麼意義呢？話不多說，趕緊隨小編來了解一番吧。
1 爲什麼建設的這麼深？
錦屏地下實驗室可以說是“站在深淵，仰望星空”。仰望的是什麼？暗物質。愛好天文的小夥伴或多或少都聽說過它。暗物質其實是一種不會反射、吸收光線的存在，它區別於常見的物質形態，看不見也摸不着，不參與任何的電磁相互作用和強相互作用。它可以說是宇宙中質量佔比最多，但卻是最弱的“光”。
如果把宇宙全貌比作一片海洋，到目前爲止，人類礙於有限的理解和觀察手段，還只是在探索這片“海洋”的一小部分。
爲了捕捉到這神祕又“靦腆”的暗物質，21世紀以來，國際上相繼開展了20多個探測實驗。人們相信：誰先揭開它的面紗，誰就將促成人類對物質世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。
當前，暗物質探測方法大體分爲“上天”“入地”和“人造暗物質”三類：“上天”指間接探測實驗，爲減少地球大氣層的干擾，通常在太空進行；“入地”指直接探測實驗，爲減少宇宙線的干擾，通常在地下實驗室進行；“人造暗物質”指加速器實驗，即通過普通粒子的對撞來產生暗物質粒子，主要在歐洲核子中心的大型強子對撞機上進行。
在中國的錦屏地下實驗室就屬於“入地”的研究方式，爲了最大程度的去掉宇宙中的無關干擾粒子，涼山的這個神祕空間也設置了重重防護“盔甲”。
第一層爲天然岩石屏障；第二層澆築了50釐米厚的混凝土作爲洞室安全支護結構；第三層放置了1米厚的聚乙烯，用於屏蔽中子；第四層爲20釐米厚的鉛房子，用於屏蔽伽馬射線；第五層爲20釐米厚的含硼聚乙烯，用於吸收熱中子；第六層爲10釐米厚的銅房子，用於屏蔽外部鉛和含硼聚乙烯的伽馬射線。這些設備幾乎屏蔽掉了能夠想到的一切輻射源。
那麼，作爲世界上最深的地下實驗室，爲什麼錦屏地下實驗室會建在涼山州呢？其他地方不能建造嗎？
2 爲什麼要建在四川省涼山州？
國內的大山很多，之所以選擇四川省涼山州作爲實驗室的駐地，原因就在於“天時地利人和”。
2003年，暗物質實驗室的策劃團隊——來自清華大學的工程物理系一行人在全國範圍內搜尋適合建造實驗室的地方。團隊成員在看新聞時突然發現，四川涼山的雅礱江錦屏大河灣正在修建一個大型的錦屏水電站工程，這裏的岩層厚度足夠，有着天然的地理優勢，此外，這裏有一條錦屏山交通隧道連接了兩座電站，如果在這裏建造實驗室，也方便了研究團隊進出的需要。
因此，清華大學團隊就前往四川與水電站建造單位——雅礱江流域水電開發有限公司溝通合作，經過多次的洽談最終順利定下。
於是，到2009年，暗物質實驗室一期在錦屏山交通隧道中部啓動建設，至2010年正式投入使用，填補了國內沒有深地實驗室的空白。
2014年，由於有了一期工程的優質合作，清華大學團隊與雅礱江水電工程建設團隊繼續合作，開始建造錦屏地下實驗室二期工程；2015年，實驗室二期工程土建完成；2020年，基於實驗室二期建設的、被列入入“十三五”國家重大科技基礎設施規劃的“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”正式開工建設，預計2024年將投入使用。
3 實驗室背後的高科技
錦屏地下實驗室是世界上岩石覆蓋層厚度最大的地下實驗室，實驗室內部的宇宙射線通量約爲地面的億分之一，爲暗物質實驗提供了十分“乾淨”的測試環境。
除此之外，錦屏地下實驗室還有不少的硬核高科技，包括防水抑氡工程、極端潔淨設計、超低本底測量、高純鍺探測等。
錦屏山地處雅礱江干流之上，此地屬富水地質，加上氣候多雨，巖體中水分含量很大。此外，山體岩層內部析出的氮對於暗物質的探測也會造成很大影響，因此，爲了給暗物質研究提供良好的實驗環境，減少不必要因素的干擾，就需要進行防水抑氮工程。
深地環境中水分和氮氣無處不在，想要完全隔絕也花費了建造單位不少的時間。施工方設計了多達10層的複雜結構，採用了防排一體化的建造工藝，在巖壁外層打入錨杆，鋪上排水板，並噴塗上橡膠防水塗料、噴射水泥砂漿、聚氨酯膠泥等，歷經6個多月的試驗和修正，最終成功將水和氮氣阻隔在實驗室之外。
在實驗室的建造上，各連接處均安裝了氣密門，充分考慮設計了人流和物流的淨化通道，採用高效的過濾封口，並藉助地下水來進行溫度控制，確保實驗室內部的氣溫保持在舒適的25℃左右，同時環境溼度在65%以下，爲實驗人員和設備提供一個乾淨整潔的研究環境。
此外，爲了保證實驗結果的準確性，實驗室使用了GeTHU來進行超低本底測量。一切物質都存在着本底輻射，通過篩選優質的低本底材料，精準地控制實驗材料用量，科研人員得以確保實驗環境不會受到其他物質的輻射影響。
在錦屏地下實驗室重重“盔甲”保護之下，低溫液氮環境中，躺着的則是直接探測暗物質的1公斤高純鍺實驗探測器，採用世界上純度最高的晶體材料“鍺”製作而成。
高純鍺探測器的製作工藝十分複雜，技術門檻很高，國際上僅有三家歐美公司掌握了這個技術。因此，中國科學家們從零開始探索，成功研發出了製造技術，極大地推動了國內的暗物質研究水平。
錦屏地下實驗室從立項到搭建再到完工，經歷了數十年的時間。雖然到目前爲止，我們還未能弄清暗物質的本質，但中國科學家們一直在默默行動着。
要給黑暗以光明，紮根地心建設大國重器。雖然我們還在等待着暗物質撞擊的“微光”，但是科技建設本就非一朝一夕就能實現，探索未知，在不確定中尋找確定，也許這就是科學的魅力吧。
