12月7日,中国锦屏地下实验室二期极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施(简称“锦屏大设施”)土建公用工程完工,具备实验条件。我和同事来到中国锦屏地下实验室,探访了解这项伟大工程和在这里工作的人们的故事。
中国锦屏地下实验室所在的锦屏山(2023年9月15日摄)。(国投集团雅砻江流域水电开发有限公司供图)
雅砻江自青海流入四川境内后,经甘孜、凉山汇入金沙江,甘孜州有着我国高海拔宇宙线观测站;在凉山,现在又有了我国极深地下实验室,从海拔4410米到地下2400米,与宇宙“对话”的浪漫故事每天在中国西南上演。
锦屏山隧道所在位置示意图(国投集团雅砻江流域水电开发有限公司供图)
中国锦屏地下实验室位于四川省凉山彝族自治州锦屏山地下2400米处,我在同事以前的报道中有所了解,并对能在这个时间节点去实地拍摄充满期待。初入锦屏是在十一月初的一个晚上,从西昌出发近2小时后,经过几个弯,便进入了锦屏山隧道。中国锦屏地下实验室管理局的工作人员告诉我们,隧道长17.5公里,是当初为满足锦屏一级和锦屏二级水电站建设打通的交通隧道,分AB两条。雅砻江流经锦屏山呈“几”字型,形成了150公里的大河湾,隧道的贯通让原本沿江2个小时的路程缩短为20分钟。
中国锦屏地下实验室所在的锦屏山隧道口(2023年11月8日摄)
隧道几乎是笔直的,四周裸露的洞壁和前方一眼望不到头的路,前面会出现什么?我们会去往哪里?
进入隧道驱车9公里,实验室一期就矗立在路边,这里离上方锦屏山山顶,垂直岩石覆盖厚度2400米,“地心游记”即“穿越锦屏山”。
锦屏山隧道内景(2023年11月7日摄)
但什么是暗物质?为什么会在这里?地下2400米,是怎么挖出来的?所有的疑惑在之后的采访中慢慢解开。
星辰大海,似乎永远都与浪漫有关。就像锦屏山与地下实验室的缘分。
在第二天的采访中,我了解到,早在20年前,清华大学的科研人员就已开始暗物质研究,但国内一直没有找到合适的地下实验室,参与研究还需要去到韩国襄阳实验室。
暗物质(Dark Matter)是指人类肉眼看不到、摸不着,且使用天文望远镜和电磁学手段观测都无法捕捉到的物质。科学家推测,可见物质仅占整体宇宙质量的5%左右,剩下的约95%都是暗物质和暗能量。暗物质研究成为当前粒子物理学、宇宙学、天文物理学等学科前沿的研究问题。
2008年8月8日,在北京奥运会开幕的那一天,清华大学的老师也从新闻中得知了一个让他们狂喜的重要消息:“锦屏水电站两条各17.5公里的锦屏山隧道实现双向贯通,隧道埋深达2400米”。也就是说,锦屏山隧道深处,本身就距离山顶2400米,这正是科学工作者们一直在探寻的建立地下实验室的合适深度!用当下的一句流行语来说——命运的齿轮开始转动。
清华大学找到雅砻江公司完成现场勘察后,有了更让人惊喜的发现:隧道上方岩石为大理岩,内部宇宙线通量仅为地面水平的亿分之一,环境足够“干净”,电站已建成的水、电、通信、交通等保障条件都非常完备,而且,无需再进行深度挖掘,对现有的隧道进行拓宽和改造就能够满足科学实验的需要。
校企合作共建地下实验室的行动就此开启。
中国锦屏地下实验室一期(2023年11月7日摄)
此前,美国、英国、加拿大、日本等国家的地下实验室多为矿井型实验室,研究人员还需变身“黄金矿工”,光从地面进入实验室就得花2个小时;而韩国、意大利、法国等国家虽有隧道型实验室,但深度都不及锦屏。所以从实验室一期建成投运以来,这里便是世界最深、宇宙线通量最少的地下实验室,在较短时间内推动我国暗物质研究从无到有并达到国际先进水平。
世界主要地下实验室示意图(资料图片)
现场工作人员告诉我们,目前暗物质的探测方法大致分为三种:直接探测、间接探测及人为制造。我国此前发射的“悟空”号暗物质粒子探测卫星为间接探测法、欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC通过高能粒子对撞实验“制造”出暗物质粒子。
在这里,首批入驻的清华大学中国暗物质实验组(China Dark Matter Experiment简称CDEX),和上海交通大学粒子和天体物理氙探测实验组(Particle and Astrophysical Xenon Experiments简称PandaX),则是利用高纯锗和液氙进行直接探测。
位于中国锦屏地下实验室(CJPL)二期的中国暗物质实验CDEX-1T大型液氮恒温器(2020年摄,资料照片)。(国投集团雅砻江流域水电开发有限公司供图)
位于中国锦屏地下实验室(CJPL)二期的粒子和天体物理氙探测实验PandaX-4T实验装置(资料照片)。(国投集团雅砻江流域水电开发有限公司供图)
实验室一期约4000立方米,室内干净整洁,通风管道、空调、消防一应俱全,明亮的灯光下,狭长的走廊上放满了实验所需设备,大家对暗物质及深地科研有着极大的需求。
中国锦屏地下实验室一期一角(2023年11月7日摄)
中国锦屏地下实验室一期实验室(2023年11月7日摄)
在实验室尽头一扇约1米厚的聚乙烯门后,放置着清华大学的高纯锗暗物质探测器系统,十余年间,这里高纯锗探测器已从最初的1公斤升级为10公斤,并正在二期筹划建设吨级高纯锗探测器。
实验室二期扩建提上日程,锦屏大设施也入选国家“十四五”规划,实验室空间扩充为四厅八室,由原来的4000立方米增加到33万立方米,实验室也在世界最深、宇宙线通量最少的基础上,再度晋升为世界最大的极深地下实验室。
锦屏大设施实验室A1厅(2023年11月7日摄)
站在新建的实验厅内,负责工程建设和项目管理的“90后”工程师李宏璧告诉我们,隧道里的条件是暗物质研究的绝佳场所,但是施工并不是件易事。既要克服突涌水、岩爆等问题,还要把科学家们天马行空的想法落到实处,连接好实验团队及施工单位的多种需求。
所有的工作都围绕一个宗旨,工程建设为科学研究服务!
深地环境下氡气含量较高,且氡气易溶于水,产生环境辐射。团队首创了“防水抑氡层”,通过凹凸排水板、防水板、橡胶、混凝土等十层材料将岩石析出的氡气隔绝在实验室外,总厚度约10厘米。面积约10万平方米的洞壁上全部穿上“鸡蛋壳”。清华美院还为此选定颜色Y12米黄色。
锦屏大设施实验厅内拍摄的防水抑氡层(2023年11月7日摄)
这几年因为工作的关系,我也去过不少“大国重器”,除了重量之外,这次更让我感受到了科学的严谨。实验厅内,大到水泥、通风管道,小到灯泡底座,141项主要设备、材料都有着极为严苛的要求——极低辐射本底。
李宏璧说,最初团队拿着宣传册去厂家寻找材料,特殊的要求让很多厂家“望而却步”,也有厂家站出来给予支持,一起研发出低本底水泥,水泥厂甚至还从新疆购入所需的低辐射煤。
这样的大科学装置,承载着很多人的付出与奉献,所以我们决定拍摄人物肖像并制作海报,讲述他们在“地下城”的“追光路”。
在采访中,李宏璧说自己原本是学的和水电站相关的工程建设,没想到来到锦屏3年,接触了不少与研究相关的知识,也对暗物质产生了极大的兴趣;建筑工人虽然不太了解暗物质是什么,但在施工中,也尽量做到安全、有质量,不影响实验进度;安检人员随时要对隧道、实验室运行进行设备巡查,保障实验室稳定运行,有时白天进隧道巡检,出来时已是天黑;长期在地下工作,不少人体检查出缺乏维生素D……
上海交通大学PandaX实验组成员在锦屏大设施调试实验设备(2023年11月7日摄)。
清华大学CDEX实验组成员在中国锦屏地下实验室一期罐装液氮(9月19日摄)。新华社记者 薛晨 摄
采访结束,我们乘坐车辆驶出隧道,山谷间漫天闪烁着星星,这是城里很难见到的。这样的景象让我产生了一种奇妙的感觉:中国的科学家们,不就是在2400米的岩层下面仰望着这无限神秘的星空吗!
好奇心是人的一种本能,也不断驱使着大家探索未知的世界。暗物质、中微子、核天体力学、深地医学……中国在地下2400米仰望星空,向浩渺宇宙探求新知。我将继续关注并记录,也期待未来更多的好消息从这里传出!
策划:兰红光
统筹:费茂华、周大庆、刘金海
记者:胥冰洁