在2400米厚的岩层下，捕捉人类看不见的"幽灵"了
chanong
|当您穿过17.5 公里长的Kinpyasan 隧道时，您会发现它与任何其他隧道没有太大区别，除非您仔细观察周围崎岖的岩层。地面坚硬，汽车很少，落地灯和消防设备偶尔会发出白色的光芒。然而，当你开车到隧道中间时，情况就有些不同了，周围太安静了，脚底爬满了冷气和湿气。此刻，你正站在世界上最深的地下实验室的入口处，头顶上是2400米厚的岩层。这是中国第一个超深地下实验室，位于四川省凉山市锦屏山一侧。虽然从隧道入口到隧道只有20多分钟的车程，但却与外界完全不同。地下辐射极低，比地表低数亿倍。在低辐射的“清洁”环境中，我们可以探索有关宇宙、人类和世界的终极问题：宇宙是如何演化的？人类从哪里来？ 2023年12月，中国锦屏地下实验室二期将正式开始科学运行，其正式名称为“超深井超低辐射本底前沿物理实验装置”（以下简称“锦屏大型装置”） ”）。）。由清华大学开发，与国投雅龙江流域水电开发有限公司（以下简称“国投雅龙江公司”）共同建设。我国锦屏地下实验室一期建设以来，实验室在前沿基础研究领域不断取得成果，在《自然》发表文章2篇，在期刊发表文章1篇，发表高水平论文120余篇。论文，其中2013年发表论文23篇。《物理评论快报》。最先搬进这个实验室的两个团队是清华大学的中国暗物质实验组（CDEX）和上海交通大学的粒子与天体物理氙探测器实验组（PandaX），我捕捉到了看不见的东西。如果暗物质的“幽灵”被发现，毫无疑问它将给物理学带来革命性的变化。现在，虽然物理学的未来仍不确定，但至少在锦屏地下实验室里可以清晰地听到太空微弱的声音。
2023年7月，中国锦屏地下研究院二期C馆。图片/新华社
从四川凉山的“游击队”到“正规军”，雅砻江从青藏高原流下，与锦屏山“连峰如屏”碰撞。巨河变成了一条长达150公里的蜿蜒河流。河谷深邃，自然落差达300多米，为水力发电创造了理想的条件。**一级水力发电站和二级水力发电站位于**山两侧，隔山相望。与此同时，两条平行且很长的交通隧道深入山腰。工程师将它们称为A 和B 隧道。 2008年8月8日，北京奥运会开幕式当天，清华大学工程物理系暗物质团队成员偶然得知锦屏隧道竣工的消息。据这一“激动人心”的消息，该隧道最大埋深为2375米，埋深在1500米及以上的路段占隧道总长的73.1%。当时，岳谦正在各地寻找矿山和隧道，从北京、安徽的煤矿，到河北的金矿，再到秦岭隧道。时任清华大学暗物质实验组组长，也是2009年成立的CDEX实验组组长。暗物质和暗能量确实是笼罩在现代物理学上空的“两朵乌云”，至今仍然是前沿领域。物理学家发现，虽然人类已知的宇宙物质只占宇宙质量的4.9%左右，但还有一种神秘物质，占宇宙浩瀚画布的26.8%左右。它们被称为暗物质，因为它们不发光也不参与电磁相互作用，而且它们的影响我们很难“看到”。
2023年7月，中国锦屏地下研究院所在的锦屏山隧道入口处，旁边是雅砻江。新华社摄人类一百多年来一直在尝试探测暗物质，但至今尚未取得成果。物理学家并没有放弃。探测器安装在地下一个安静的角落，探测器内部有一个目标，当目标物质与暗物质碰撞时，获得少量能量，转化为电、光、热等。人类可以识别的信号。岳茜告诉《中国新闻周刊》，原理虽然简单，但实验难度极大，因为暗物质就像“幽灵”，与正常物质碰撞的概率极低。即使是大型探测器，如果整天坐着，也可能不会遇到碰撞。相比之下，从太空进入地球的大量辐射以及周围环境辐射中所含的放射性核素平均每天可以撞击目标材料数亿次。 “不是我们没有看到任何信号，而是信号太多了。在干扰信号的海洋中找到微小的暗物质信号就像大海捞针一样，”岳谦说。在地面上“净化”宇宙射线是很困难的。意大利国家核物理研究所的物理学家Marco Cervi有一个经典的解释。 “从地球表面探测暗物质就像在拥挤的体育场里辨别孩子微弱的声音。”因此，实验室最好建在地下深处。那里，厚厚的岩层具有阻挡宇宙射线的作用，而且实验室越深，宇宙射线的量就越低。国际上，地下实验室地点只有两种：矿井或隧道。中国锦屏地下研究所所长、负责锦屏一期、二期工程的程建平告诉《中国新闻周刊》，在锦屏之前，中国并没有自己的深地研究实验室。”清华大学早期暗物质研究中心表示实验不存在。该实验只是简单地从韩国一家研究所租用了几平方米的空间来进行。 “因为受限于实验场地，中国科学家只能参与别人的基础研究，而无法成为领导者。”到目前为止，他们一直致力于意大利的LNGS、法国的Modern、美国的DUSEL。国际著名的地下实验室的深度在1100米至1700米之间。当时，加拿大最深的地下实验室SNO仅深2100米。 2009年3月，岳谦第一次进入锦屏山腹地。隧道建设尚未完成。由于埋深较深，渗水量大，隧道内部充满了水，“就像在河里开车一样”。 ”在这一旅程中，他肩负着非常重要的使命。它包括从山的最深处采集岩石样本，然后将其带回实验室，看看它是否“干净”。
随后的实验结果表明，锦屏地下实验室接收到的宇宙射线量是世界上最低的，仅为地球表面的百万分之一，比意大利LNGS地下实验室小100多倍，宇宙线接收量为地球表面的百万分之一。光芒在岳竟然低于。韩国的Y2L地下实验室小了数千倍。 “样品周围的岩石也非常干净，天然放射性核素含量比北京地表环境辐射低几十到几百倍。”钱跃说。此外，与之前咨询的矿山和隧道相比，锦屏的科研条件也符合要求。前沿研究对环境要求非常苛刻，除了深度之外，还需要足够安全的工作环境、稳定的电力供应等后勤保障。负责开发锦屏水电站的国投雅龙江公司当时仍称二滩公司。 2009年5月8日，清华大学与Eltan签署战略合作协议，两家公司决定共同建设中国第一个超深地下实验室。选址利用了施工时用于岩石力学实验的小实验孔，在此基础上扩建了约4000立方米的空间，一期实验室已于2010年底投入使用。暗物质探测实验尚未完成。然而，从头开始创建一些东西是不够的。当研究所运作到2014年时，郑建平开始面临困境。是否继续建设二期工程。清华大学和上海交通大学实验组的实验正在进一步升级，需要更大的空间。此外，一些实验团队也提出了使用极低辐射环境进行研究的请求。但这也提出了一个真正的问题：钱从哪里来。他说，“以前我们在这里盖房子，清华大学、上海交通大学的团队都住在这里。现在，国内外其他科研机构也需要类似的条件，所以社会有必要扩张。”问：是的，社区仍然需要“七通一层”，并且需要大量投资水、电等公共基础设施。而且他的决策时间很短，锦屏水电枢纽的所有工程都已进入收尾阶段，当整个施工队伍撤离、机械设备停止时，他能够迅速做出决定。搬迁将完全摧毁许多以前建造的辅助隧道，导致回填、重建和重新投标的成本高昂。 “当时我真的很焦虑、很困惑。”郑建平说。他决定迈出新的一步。 2014年8月，清华大学与国投雅龙江公司再次签署共建协议，双方同意自筹资金扩建二期实验孔。幸运的是，该项目入选2017年国家“十三五”重大科技基础设施10个优先启动项目之一。 2018年底，获得国家发改委援建批复。此后，锦屏地下实验室二期正式升级为“锦屏大学设施”，并于2020年12月开工建设。 2023年底，“社区”“精装修”基本完成，实验室二期投入运行。 “过去我们就像游击队，但现在我们是正规的国家军队，”郑建平说。
建造世界上最干净的实验室，从一侧入口进入A线隧道，行驶约9公里，然后向南进入一条陡峭的辅助隧道，里面有4条新开挖的隧道。二期隧道将带您进入隧道实验大厅。与一期相比，二期实验空间扩大了近80倍，可用空间超过30万立方米。与揭示岩石真实本质的交通隧道相比，这是一个完全不同的世界。进入二期实验大厅，首先映入眼帘的是温暖明亮的米色，光滑细腻，紧紧拥抱周围的洞壁，与原始岩层一起起伏。
已竣工的中国锦屏地下研究院二期A1厅墙面上覆盖的米色涂料，是锦屏独有的“防水抑氡”层。图/受访者提供为了避免长时间在井下工作的人们精神压抑，清华大学专门聘请了美术学院的老师来负责视觉设计，并营造了一个暖色调的实验室环境。然而，油漆不仅仅是装饰，它是二期施工最大的挑战。 “表面必须光滑、干净、无灰尘，因为灰尘中还含有污染实验环境的放射性核素。”地下实验室管理局工程技术处副处长**说，李鸿飞向《中国新闻周刊》解释道。人类生活环境中已经存在的辐射也称为背景辐射。物理学家发现，一旦消除了暗物质探测的“最大敌人”宇宙射线，“周围的敌人”就成为影响实验结果的关键。氡气是由放射性核素镭226衰变产生的惰性放射性气体。它是从岩石、土壤和山脉的裂缝中渗出的水不断释放出来的。建筑材料中的放射性核素也会衰变成氡气。这些无色无味的污染源不仅影响实验进度，浓度过高还会对人体产生负面影响。因此，为了最大限度地减少环境辐射，二期承包商的首要任务将是“防水防氡”。
事实上，很难分析这两三个事件源自什么背景，但如果不清楚，这些信号可能会被误认为是暗物质信号。 “我们要尽一切努力去了解各个不同来源的背景，这是一个非常漫长的过程。”在程建平看来，当宇宙线趋近于零之后，以前一直被忽略的一个很小的背景就变成了。显。 “事实证明，到处都有背景。”
捕捉看不见的“猎物” 距离2024年农历新年还有一周多的时间，PandaX实验团队的博士王秋红仍然在锦屏地下实验室工作。每天早上，他从工作受到监控的办公室出来，小心翼翼地走下陡峭蜿蜒的楼梯，站在一个900多立方米的巨大水族馆前。如果你从水罐的顶部向下看，你会看到水罐内的水发出蓝色的光。这就是水达到很高纯度时的样子。王秋红告诉《中国新闻周刊》，实验团队对熊猫4T探测器进行了改进，正在重新加水。这种经过过滤的超纯水提供了极好的屏蔽，水的中心是一个重达333,544 吨的液态氙探测器，这是实验的核心。这是上海交通大学PandaX实验组的第三代探测器，位于锦屏地下实验室二期B2实验厅，第三代高纯锗探测器安装在相邻的C1实验厅。清华大学CDEX实验组即将组建。虽然也探测到了暗物质，但两种探测器针对的物质不同，采用的技术路线也完全不同。在理解这种差异之前，我们首先需要了解暗物质探测的理论基础。到目前为止，我们还不知道暗物质实际上是什么样的粒子，但最流行的候选者是仅通过弱相互作用和引力与其他普通物质相互作用的弱互粒子，即活性大质量粒子（WIMP）。理论模型表明其质量范围为10 亿电子伏(GeV) 到1 万亿电子伏(TeV)。理论上计算的WIMP粒子数量与宇宙学观测获得的暗物质密度完全匹配，因此科学家认为这不仅仅是巧合。因此，在20世纪70年代和80年代，WIMP被认为是最有前途的理论之一，人们称之为“WIMP奇迹”。
CDEX液氮恒温器正在建设中。图片/受访者提供因此，直接暗物质探测实验基本上都是以WIMP理论为起点，扫描该理论预测的暗物质的能量区域。以PandaX实验组为例，刘江来介绍，其探测器扫描的暗物质质量范围从5 GeV到10 TeV，跨度至少三个数量级。迄今为止，世界各地的实验小组尚未发现暗物质，但精确扫描的区域越来越大，至少消除了很大一部分可能的区域。 “更具体地说，它定义了暗物质‘亮度’的上限，”刘江说。他认为，在探测此类极其罕见事件的各种实验技术路线中，“灵敏度是关键”。 PandaX实验探测器使用氙作为目标材料，因为它灵敏度高，与暗物质碰撞的概率很高。探测器易于升级，并且有更多抑制背景的方法。清华大学暗物质团队从一开始就选择了不同的方向。钱岳早在2003年就发现暗物质候选者可以覆盖很宽的能量范围，当时国际上几个实验组正在研究中等质量暗物质，但轻质量暗物质的研究在国际上还是一个空白。详细的计算和模拟确定了这条路线是可行的，清华大学团队找到了不同的方法，将暗物质实验的扫描重点从几十GeV以上的区域转移到10GeV以下的区域，甚至决定转移到该区域低于几十MeV（百万MeV）。 ），扩展了暗物质检测质量的下限。 “因此我们组建了世界上第一支高纯度锗探测器团队，它们对光质量范围极其敏感，并记录非常小的能量引起的信号，使得探测甚至更轻的暗物质粒子成为可能。”来自各地的敏感实验结果当时世界各个能源区域。岳谦说，如果探测器的目标核是猎人，猎人越多，就越有可能捕获暗物质猎物，而升级探测器提高灵敏度的主要思路是我解释的：扩大目标材料的体积和有效质量。
上海交通大学的PandaX液氙暗物质探测器位于中国锦屏地下实验室二期。照片/受访者提供从早期的CDEX-1和CDEX-10到正在建设的CDEX-300，第三代探测器中高纯锗的质量从1kg、10kg增加到300kg。同时，在PandaX-I、PandaX-II和PandaX-4T中，第三代探测器使用的液氙重量分别从120公斤和500公斤增加到4吨。未来，两个团队的探测器都会增长一个数量级，但到了一定规模，暗物质尚未被发现，所需资金将达到数十亿甚至数百亿。同样的困境：面对高度不确定的未来，科学家该如何做出选择？这是所有前沿研究都面临的选择。钱岳表示，CDEX探测器可以“一机两用”，用同一台探测器获得的实验数据中，低能区的数据可以用来分析暗物质，高能区的数据可以用来分析暗物质。分析暗物质。据说是用于中微子研究。与暗物质的发现相比，中微子性质的研究提供了更可靠的结果。事实上，由于暗物质尚未被发现，WIMP理论近年来在国际上面临诸多质疑。人们想知道暗物质是否比WIMP 粒子更轻或更重。 “大家都很担心，但我一直相信，从科学和美学的角度来看，WIMP 是一个非常优雅的模型。它背后的理论非常简单，而“如果物理学作为一个整体是一个谜题，比如宇宙的质量、标准模型和缺陷，WIMP可以一次解决几个未知的部分，比如确定暗物质的比例。“我们可以。”刘江说。这个故事的另一个可能的结局是，暗物质的发现将彻底改变人类对世界的认知，彻底打开一扇通往宇宙的未知之窗。 “原本只能透过一扇小窗往外看，突然变成了一个360度的全景房间，人眼看到的世界会变得更大。”岳谦解释道。
寻找终极问题的答案在人类想要研究的所有终极问题中，只有一个终极问题。这一切都取决于我们来自哪里。**地下研究实验室的目的不仅仅是研究暗物质。中国原子能科学研究院牵头的国家自然科学基金重大项目“锦屏地球深部核天体物理实验”（JUNA）于2021年1月开始外场实验。经过四个月的测量，获得了世界最高值。准确的测量结果，首批结果之一于2022 年10 月发表在期刊《中国新闻周刊》 上。核天体物理学研究什么？宇宙诞生时，它只是由氢和氦组成，但138亿年后，碳、氮、氧元素诞生了，形成了地球、物质和人类。中国原子能科学研究院研究员、JUNA首席科学家刘卫平表示，如果宇宙是一个大锅，里面不断地煮着各种物质，那么今天的世界就是煮出来的结果。天核物理学正在地球上模拟这个大锅并构建一个微观宇宙，而JUNA就是这样做的一种尝试。
中国原子能研究院JUNA天文核加速器实验装置。照片/受访者进一步解释说，无论是第一次大爆炸还是恒星的演化，这都是一个特别剧烈的过程，而其背后的驱动力就是核反应。 JUNA太空模拟背后的想法是使用独特开发的地球深部加速器，具有世界上最高的束流强度，使一个原子核与另一个原子核碰撞，产生新的原子核并测量不同的原子核。过程中反应产生的元素。与暗物质信号类似，各种元素产生的反应信号也非常微弱，因此在关平地下实验室中也安装了加速器，以消除宇宙射线干扰。大山深处。除了深部地球物理之外，**实验室还进行深部地球医学研究。长期以来的研究表明，发生肿瘤的风险随着辐射剂量的增加而增加。那么，肿瘤在极低辐射刺激下是否会发生不同的变化？四川大学华西医院深度医学中心研究员吴江告诉《中国新闻周刊》，2018年，华西医院主动对他说，在吉林省夹铺沟金山地下1410米处建造了一个小型实验室。他们培养了人类肿瘤细胞，很快发现细胞生长得更慢。类似的实验计划于2022 年在**地下实验室进行。培养1个月后，肿瘤细胞出现生长减慢、迁移能力降低、细胞周期停滞的迹象。吴江解释说，**的实验结果表明，在极低本底辐射的环境下，肿瘤细胞的增殖和转移能力降低，这对于肿瘤治疗来说是个好消息。华西医院团队的进一步研究还发现，肿瘤细胞对一线化疗药物顺铂的敏感性增加，吴江教授认为耐药性是肿瘤治疗的�**弧Ｕ饣岬贾挛蠢床鸵┬裕加行源ザ裥灾琢龅幕颊呖赡芑嶙氲叵乱欢问奔洌缓笤俅味砸┪锩舾小� “是否可以考虑建立地下临床试验基地，延长恶性肿瘤患者的生存时间？”锦屏地下研究院是一个综合性重大基础科学研究平台，定位为开放式的大型科学仪器并分享。主要方向为地球前沿科学探索，涵盖粒子物理、核天体物理、宇宙学、地球深部医学、岩石力学等多个研究领域。 “锦屏大装置”建成后，来自清华大学、上海交通大学、中国原子能研究院、四川大学、生态环境部等的首批实验项目团队达到10人。程建平表示，下一步，他计划提出“锦屏深部中微子与暗物质研究”国际科学计划，并以锦屏地下实验室为平台，启动几个重大国际合作项目，他说是有的。 “我们正在以积极的态度接受世界，未来将定期举办地球深部前沿科学研讨会，吸引更多世界各地的科学家关注中国、来到锦屏。”持有一个
开创校企合作先河作为校企合作共同推进基础研究的样本，锦屏地下实验室共建模式受到多方关注。 2009年，当清华大学首次向国投雅龙江公司提出建设深地地球研究院时，国投雅龙江公司的决策过程十分艰难。锦屏地下实验室管理局副总工程师沉万斌（《中国新闻周刊》）表示，当时公司本身经营比较困难，同时也是水电工程建设和资金投入的高峰期。实验室建设将带来额外的安全风险，“企业决策者肯定面临着巨大的压力”。安全风险是最大的担忧。李鸿飞解释说，锦屏山隧道开挖时，埋深太深，因此测得的最大地应力达到113.87兆帕，“相当于世界上最深的马里亚纳海沟产生的压力”。这种压力对岩石的挤压是如此之大，以至于它储存了如此多的能量，以至于它突然像炮弹一样射出。这就是岩石破裂。 “在锦屏山A、B隧道的开挖过程中，我们几乎每天都会遇到1000多起岩爆，强烈的岩爆后，有1000多立方米的岩石直接崩塌。”另一个威胁是高压、大水流。水。项目区裂缝发育，地下水丰富，水压高，流入点多，流量大。 “如果在挖掘时遇到岩石上的大裂缝，就会立即涌出大股水流。你能想象水在1000多米高的压力下突然喷涌而出的场景吗？它可以喷出一米多的水。” “100米外，传来飞机发动机般的轰鸣声，水流如刀，岩石可被切成碎片。”李鸿飞解释道。因此，在沉万斌看来，此次合作最终得以实现，得益于国投雅龙江对基础研究的重视和社会责任感。长期以来，国内校企科研合作主要集中在能够较快产生经济效益的应用研究领域。程建平认为，支持企业建设大型科学设施的不是他一个人，而是普遍认为企业提供了现场设施和某种道义上的支持。比如国投雅龙江公司和清华大学共同发起、共同出资、共同建设。深层次的合作是独一无二的。 2023年12月，锦屏地下实验室管理中心主任李明川撰文总结校企合作经验，表示自2009年一期建设以来，国投雅龙江公司已将原有溶洞搬迁。我们免费提供实验场地，积极投入实验室的挖掘和扩建，还投资了专业团队参与实验室的运营和管理。二期投入使用后，该公司还将负责多项公共基础设施的年度运营和维护。
2023年7月4日，工人们在中国锦屏地下研究院二期建设工地施工。摄/新华社程建平进一步表示，这种基础研究方面的深入合作不仅得益于资金和相关资源的支持，更重要的是国投雅龙江公司在工程技术方面的优势和经验。如果没有他们的参与，该项目将会遇到很多挫折，建设周期可能会延长五年甚至十年。 ” “我们比科学家强的地方，首先是工程建设的高效组织和管理，比如有效地将清华设计方案转化为建设方案，组织多次技术攻关。”其次，研究院的运行、维护和安全管理“国投雅龙江公司成立了专门机构————锦屏地下实验室管理局，根据院管会批准负责现场管理。”沉万斌说。 2009年，清华大学与国投雅龙江公司联合成立实验室管理委员会，校方与公司有效共同管理锦屏地下实验室。然而，展望未来，两国在继续密切合作的过程中将面临一些制度性挑战。沉万斌表示，“锦屏大装置”是国家发改委批准的重大科技基础设施，清华大学是该项目的唯一法人单位，理论上有相应的运营保障和管理责任他指出，一定有。公司将为此付出代价。但现实中，锦屏地下研究院的共建模式不同于常规大型科学工程的“单一法人制”，而且由于是事实上的“双法人制”，因此很难从可持续经营的角度来看，通过实施一些科研管理政策和机构改革，解决了国投雅龙江公司后续身份的合法性问题，使企业在研究院的发展中能够更充分地发挥作用。机制有待进一步研究。程建平近日还透露，正在会同国家相关部门探索建立更加可持续的“锦屏模式”，进一步扩大校企共建效益。 《锦屏地下实验室是当前我国科技体制机制改革创新的缩影》发表2024年3月11日第1131期《自然》杂志标题：在世界最深的实验室仰望星空记者：何诗仪