锦屏地下实验室Ⅱ期明年将全面投运！记者探访：现实版“地下城”里，他们如何追寻“宇宙幽灵”

正如诸多科幻电影所演绎的情节一般，故事的开端往往是两条平行线。而这一次，是关于水电站和暗物质的故事。

在四川凉山州木里县、盐源县与冕宁县交界处，有一条150公里长的雅砻江锦屏大河湾。因巍峨的锦屏山阻挡，雅砻江先北上后奔向东南，落差300多米，蕴藏了极其丰富的水能资源。

为引水发电，雅砻江流域水电开发有限公司采取了最难的“截弯取直”的办法，在河湾最窄的17.5公里处打通锦屏山，修建隧道。这项工程于2003年开始建设，曾多次遭遇大流量突涌水，遭遇大规模岩爆1200多次，被国内外专家称为地下工程施工中的“癌症”，历经4年多的艰难施工才终于完成。

▲位于大山之中的中国锦屏地下实验室

如今，在锦屏大河湾两端，矗立着两座世界级水电站——锦屏一级水电站，拥有世界第一高坝；锦屏二级水电站，拥有世界最大规模的水工隧洞群。连接两座电站、长17.5公里、最大埋深2525米的锦屏山隧道里，藏着世界最深最大的极深地下实验室——中国锦屏地下实验室（下称：锦屏地下实验室）。

锦屏水电站与锦屏地下实验室的故事，也是从隧道打通的那一刻起，正式开始。

▲中国锦屏地下实验室Ⅰ期

10月，红星新闻记者实地探访时了解到，就在近日，锦屏地下实验室Ⅱ期项目迎来全球最大聚乙烯屏蔽舱的完工。明年，锦屏地下实验室Ⅱ期将全面投入运行，Ⅱ期项目将形成4厅8室的整体格局，锦屏地下实验室的可用空间也将由之前的4000立方米增加到33万立方米，扩大近83倍，是国际上空间最大、埋深最深、宇宙线通量最少、辐射本底最低、综合条件最好的深地实验室。这个规模，已足以称得上是一个“地下城”。

“戏剧性”的往事

从凉山州西昌市火车站驱车一路向北，在冕宁县漫水湾驶上了锦屏水电站专用公路。这里人烟稀少，一路之上，碧水青山连绵，雾霭笼罩，经久不散。1个多小时后，车辆一头扎进了锦屏山隧道，仿佛驶入地下迷宫，七拐八绕穿过一个个洞穴后，在隧道中部，记者一行终于抵达了锦屏地下实验室Ⅰ期。

▲中国锦屏地下实验室隧道入口

和想象中不太一样的是，这个神秘的“地下堡垒”看上去似乎并不太科幻——靠近大门最外侧的房间，摆放着若干个液氮罐，这是为暗物质探测实验所用。穿过一道大门往里走，是各个研究团队在此布局的实验室，摆放着各类仪器。实验室最里侧，是清华大学牵头的中国暗物质实验（CDEX），在这里，我们碰到了锦屏地下实验室CDEX项目组实验员景明坤和清华大学工程物理系博士生粟鹏文。当天，他们正在进行材料本底的检测工作。

▲研究人员正在操作仪器

中国暗物质实验（CDEX）是锦屏地下实验室首批入驻的项目，而清华大学和锦屏地下实验室的渊源，还要从2008年说起。

采访时，雅砻江公司锦屏地下实验室管理局局长李名川给记者聊起了这段颇具“戏剧性”的往事：2008年8月8日，除了举世瞩目的北京奥运会开幕，远在祖国西南深处的锦屏山隧道全线贯通。彼时，中央电视台播放了这一消息，清华大学工程物理系的一位老师得知锦屏山隧道岩石覆盖达2400米，兴奋不已：“这是暗物质实验的绝佳实验场所。”当即，清华大学与雅砻江公司取得联系，希望利用锦屏山隧道的绝佳条件建设实验室。

▲雅砻江公司中国锦屏地下实验室管理局局长李名川

埋深，仅仅是建深地实验室的要素之一。李名川告诉记者，在锦屏地下实验室Ⅰ期的选址和建设过程中，清华大学研究团队详细测量了锦屏山隧道中部的岩石放射性和宇宙线通量，确认了锦屏山隧道中部覆盖岩石是纯净的大理岩，该位置的宇宙线通量仅约为地面的亿分之一，“是非常理想的建设大型地下实验室的地方。”

锦屏山隧道地质条件极为复杂，在此基础上扩挖实验室，难度不言而喻。面对种种风险与挑战，雅砻江公司毅然决定支持国家基础科研，通过科学论证，依托已开挖的连接锦屏一级、二级水电站的锦屏山隧道，与清华大学共建中国锦屏地下实验室。

历经一年半时间建设，锦屏地下实验室Ⅰ期于2010年12月正式投入使用。

“捕获宇宙幽灵”

锦屏地下实验室Ⅰ期工程实验空间约4000立方米，主要包括地下实验室入口隧道、连接隧道和主实验厅三部分。其中，主实验厅的长度40米，宽6.5米，高度7.5米。为何要在如此深的地下进行暗物质研究？这要从暗物质本身说起。

▲位于隧道中的中国锦屏地下实验室Ⅰ期入口

通俗地讲，暗物质就是“看不见”的物质。这里的“看不见”，不仅仅是指肉眼看不见，而是人类使用各种探测设备和电磁学手段观测都“看”不见。

人类关于暗物质的猜想和理论最早于上世纪20年代初提出，天文学家兹维基（Fritz Zwicky）是第一个观察到星系运动速度异常的人。根据一些星系运动的异常，推测星系中可能存在看不见的物质，但尚未得到证实。那么，我们如何判断它们是否真实存在呢？

李名川举了个例子：地球位于太阳系内，绕着太阳转；太阳系在银河系内，绕着银河系中心在转。按照现有的理论，可以推算出太阳系绕银河系运动的速度是160km/s，可实际上并非如此，科学家发现，这个速度达到了240km/s。“按照万有引力定律，实际值比理论值高出这么多，如果没有额外的引力，太阳系就会飞出银河系。”但又是什么提供了这种额外的引力呢？答案就是暗物质。

▲中国锦屏地下实验室清华大学暗物质实验室

目前人类已知的物质仅占宇宙总量不到5%，剩余部分由暗物质和暗能量组成，其中暗物质占比达到26.8%，剩余的是暗能量。暗物质不参与电磁波的相互作用，与光子的相互作用也很微弱，所以暗物质非常暗，几乎不发光。迄今为止，暗物质也一直是个谜，抓取难度很大，世界上也没有人真正“捕捉”到它。正因如此，暗物质也被称为“宇宙幽灵”。

“无论是过去还是现在，暗物质都是影响宇宙演化的一个关键因素。若搞清楚它，人类的认知水平将得到大幅度提升。”李名川说，发现并研究暗物质，可能引发物理学革命，但由于暗物质的“声音”实在太小，探测难度极大。“在地球表面有大量的宇宙射线，它们会干扰探测暗物质。”他打了个比方：假设每天有一亿个原子穿过人类身体，暗物质只有一个，要想探测它，无异于大海捞针。

而探测的第一步，就是把周围的干扰物质去掉。这些干扰物质包括宇宙线粒子、中子、伽马射线等。

值得一提的是，锦屏地下实验室虽说是一座现实版的“地下城”，但它不是真的在地下，而是在锦屏山当中，实验室上方的垂直岩石覆盖厚度达到2400米。这2400米的岩层成为屏蔽宇宙线的天然屏障，可以屏蔽大量的宇宙线粒子，这也是为何说这里是研究暗物质的绝佳场所的原因。

穿上重重“盔甲”守株待兔

现场，景明坤带记者走进了CDEX项目组进行实验的核心区域——

按下按钮，眼前一扇由聚乙烯材料制成的锯齿状大门缓缓推开，一个不算大的空间里，放置着各类仪器，电脑屏幕和各类仪器闪烁着荧光。最为核心的高纯锗探测器，则被包裹在层层“屏障”之下。

▲暗物质探测设备放置在聚乙烯房间内

“要想探测暗物质，就需要为科学实验提供最‘纯净’的环境，2400米的岩层还远远不够。”景明坤介绍道，为进一步屏蔽掉宇宙射线，这里还为探测器“穿”上了重重“盔甲”。

▲研究人员正在检查装有暗物质探测仪的屏蔽装置

除岩层之外，这些“盔甲”还有4层：

“盔甲”之下，则是在低温液氮环境中直接探测暗物质的高纯锗探测器。

得到这些材料也并非易事。以铅块为例，这些四四方方的铅块看上去和一块砖头类似，但一块的重量就高达10多公斤。而为了让材料本身的辐射降到最低，这些铅块都是精挑细选的老铅。

▲铅块

锦屏地下实验室主要采用两种探测手段探测暗物质，其中清华大学牵头的CDEX项目组采用高纯锗探测器进行探测，上海交通大学牵头的PandaX项目组采用液氙探测器进行探测。“高纯锗探测器需要零下196摄氏度的工作环境，因此空间内将不断注入液氮。”景明坤说，锗是一种半导体金属，市面上的千足金的纯度为0.999，而高纯锗的纯度则达到了小数点后12个“9”以上。通过掺杂制成半导体探测器，加上电压，在其中的灵敏区域可以探测来自外界的辐射信号。当探测器将所探测到的信号全部记录下来之后，清华大学在北京后方的暗物质实验数据中心同步分析数据，开展相关研究。

▲研究人员正在对暗物质实验室Ⅱ期所需的建筑材料进行分析筛选

清华大学工程物理系助理研究员杨丽桃将这项研究比喻为“守株待兔”——如果“翻山越岭”碰撞上探测器的物质留下与普通物质不同的反冲能量特征，就有可能是暗物质或其他稀有事件，这便是“守株待兔”。

自2010年锦屏地下实验室Ⅰ期运行以来，首批进驻的CDEX、PandaX两个项目组已取得超30项国际领先的暗物质研究成果。尽管没有直接探测到暗物质，但通过排除法缩小了暗物质参数区域，使中国的暗物质研究水平不断提升，在国际上，从“跟跑”“并跑”一跃实现了“领跑”。

值得一提的是，锦屏地下实验室不仅仅针对暗物质进行研究。李名川告诉记者，目前，已有11个科研团队在锦屏地下实验室进行深地实验，除了进行暗物质探测研究的CDEX和PandaX项目组，这里还有中国原子能科学研究院JUNA、四川大学华西医院DeUFO、四川大学GeoDEX、中科院武汉岩土所等科研团队，囊括太阳中微子、无中微子双贝塔衰变、核天体物理研究、深地医学、深地岩石力学等前沿基础科学研究。

▲中国锦屏地下实验室

随着实验室的不断壮大，一批批前沿基础研究成果也在不断涌现：2020年，中国原子能院JUNA项目组在锦屏地下实验室成功出束了世界最强流深地核天体物理加速器，未来将在实验室开展世界上最先进的核天体物理实验，使我国成为世界核天体物理直接测量的中心；以四川大学和中科院武汉岩土所为代表的深地岩石力学项目组，将深入研究深地岩石力学、地震学以及地球物理学等国际最前沿的基础科学。

Ⅱ期将全面投入运行

由“自建房”变为一个“社区”

随着突破性成果的不断涌现，对实验空间的需求也越来越大，为满足实验需要，2014年，锦屏地下实验室正式启动扩建计划。2016年，锦屏地下实验室Ⅱ期被列入国家“十三五”重大科技基础设施十个优先启动项目。

“2024年，锦屏地下实验室Ⅱ期将全面投入运行，从Ⅰ期到Ⅱ期，锦屏地下实验室也将由‘自建房’变为一个‘社区’。”李名川介绍，Ⅱ期项目将形成4厅8室的整体格局，锦屏地下实验室的可用空间也将由之前的4000立方米增加到33万立方米，扩大近83倍，是国际上空间最大、埋深最深、宇宙线通量最少、辐射本底最低、综合条件最好的深地实验室。

▲研究人员正在观察数据

不仅仅是量变，Ⅱ期还将迎来质的飞跃。李名川表示，在深地环境条件下，锦屏山岩体能隔绝大部分宇宙辐射，但岩体会释放放射性氡气，会对科学实验本底造成影响。

“在面积约10万平米的洞壁里进行防水、防潮、防氡气施工，是我们建设的最大难题。”李名川说，建设团队创新性地在岩壁上做了一个十厘米的结构，将整个实验空间包裹起来，就像给实验室做了一个“鸡蛋壳”，蛋壳内部是实验空间。这10厘米的结构由10层材料组成，形成的壳体面积共约11万平方米，这就是“防水抑氡”工程。

采访当天，记者在实验室Ⅱ期建设现场看到，百余名建设者正在加紧进行实验厅通风系统的安装以及尾工项目的施工。置身其中，四个实验大厅宛如四座地铁车站，大厅墙壁表面被防水抑氡材料所覆盖，凹凸不平，颇具科幻感。

▲工作人员正在检查岩壁

李名川说，前期，项目团队针对“防水抑氡”结构层进行了大量的试验研究，以控制材料的辐射本底控制为目的，连续6个多月，先后采用15种材料开展实施了锚杆节点试验14次、膨胀螺栓节点试验10次，同时也实施了挂网喷砼试验8次，研发出防水抑氡节点处理、聚氨酯胶泥喷涂等新的施工工艺，完成了国内外首个“防水抑氡”工程。

此外，实验室还通过一系列极深地下极低辐射本底屏蔽装置来实现更低的辐射本底要求，聚乙烯屏蔽舱建设就是保障建设最“纯净”实验室的关键一环。

此外，一个容积约为1725立方米的大型低温液氮恒温器已安装进实验室Ⅱ期大厅，将助力清华大学牵头的CDEX团队开展10千兆电子伏特以下的轻质量暗物质直接探测研究。而由上海交通大学牵头的PandaX合作组，将在容积为900立方米的纯净水池中，利用气液两相氙探测器，开展10千兆电子伏特以上的重质量暗物质直接探测研究。

如今，清华大学、上海交通大学等国内高校研究团队，依托锦屏地下实验室向探寻暗物质发起挑战。“未来，该实验室将持续吸引国内外顶级科学团队入驻，形成暗物质、核天体物理、中微子、深地医学等多学科交叉的世界级开放共享实验平台，成为全球深地科学研究的‘圣地’。”李名川表示。

“《流浪地球》中的设想，在锦屏地下实验室Ⅱ期已经可以实现”

从读博士开始，杨丽桃就开始从事暗物质探测研究工作。他告诉记者，在锦屏地下实验室建成之前，深地实验室仅在发达国家有建，清华大学等国内科研院所只能“飘洋过海”租用国外的深地实验室进行暗物质研究，这对科学研究带来诸多不便。

早在2003年，清华大学就启动了暗物质研究，“那时我们做实验需要到韩国的襄阳地下实验室，那里垂直岩石覆盖厚度只有700米，借给我们的实验空间也非常紧张，仅仅只有2平米，探测器也只有5克。”而在锦屏地下实验室Ⅰ期，探测器起步就是一公斤重。

尽管外人看来，在地处崇山峻岭中的锦屏地下实验室做研究看上去非常枯燥，但在杨丽桃眼里，这里就像一个“世外桃源”：“在非常安静、风景好、无人打扰的地方做基础研究，并不觉得枯燥。”事实上，相比国外的深地实验室，锦屏地下实验室条件已是相当优越了。

▲中国锦屏地下实验室

他提及，国际上的深地实验室一般分为两类：一类是像锦屏地下实验室这种隧道型的，一类是矿井。前者有交通隧道，驱车就可进入。而后者，如果遇到还在挖的矿井，实验人员往往会和矿工存在交叉施工的问题，不仅进入实验室要耗费相当长的时间，一些大型实验设备只能拆解后才能运输进去进行组装。“此外，雅砻江公司也给我们提供了非常好的管理保障，在实验室不远的营地里，不止有宿舍、食堂，还有健身房、会议室等等。”

事实上，与记者此前想象的地下黑暗潮湿的环境不同，锦屏地下实验室四季恒温，冬暖夏凉，且光纤、网络全覆盖，可以用WiFi。“这里唯一与地面实验室不同的是没有窗户，感受不到刮风下雨，身处其中常常分不清是白天还是黑夜。”

▲中国锦屏地下实验室

除了研究领域的突破，在技术上也有诸多创新。杨丽桃告诉记者，此前，探测暗物质的核心装置——高纯锗探测器长期依赖进口。要想真正实现自主可控，不仅要掌握制备高纯度锗晶体的技术，还要摸索探测器制作整套工艺。用了7年时间，清华大学研究团队研发出了我国第一台500克级高纯锗探测器。自此，高纯锗探测器的研发驶入了“快车道”，1公斤级、1.5公斤级也陆续问世。“我们的高纯锗探测器是全球直接观测暗物质灵敏度最高的探测器之一，也就是说，在寻找暗物质这条赛道上，中国其实是走在最前列的国家之一。”

尽管基础研究可能短时间内无法进入人们的生产生活，但在杨丽桃看来，这些探索开发的科技成果与相关技术，也将有助于我国拥有更高的科技水平和综合国力。同时，这些看似神秘的科技成果，最终也将反哺和影响生活、生产。

在埋头于科研的间隙，杨丽桃有时也会想象：假如有一天，团队真正探测到了暗物质，将会改变什么？这让他想到了脑洞非常大的科幻电影：“我想，当我们发现了暗物质，对宇宙更加了解后，科幻电影中类似星际旅行的场景也可能会实现。具体如何实现，那就需要我们做科研的干好手中的活儿。”

“这个时间已经不远了。”他说，就像多年前的科幻电影一样，当时看上去不可思议的场景，很多都已走进了现实。“就像我们即将投用的Ⅱ期实验室，这个规模已足以称得上是一个‘地下城’。没想到吧？《流浪地球》中的设想，在锦屏地下实验室Ⅱ期就已经可以实现了。”