7月20日，又一項國家重大科技基礎設施——“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”在中國錦屏地下實驗室正式啟動建設。錦屏地下實驗室位於四川錦屏山隧道中央，是中國建立的首個極深地下實驗室，也是世界上岩石覆蓋最深的地下實驗室。此次開啟國家重大科技基礎設施項目建設，意味著錦屏地下實驗室升級成為國家級創新平台，將助推中國在全球重大基礎科學前沿問題探究領域把握先機、邁向領先。
世界上最“乾淨”的地下實驗室
古詩有言，“蜀道之難，難於上青天！”然而蜀道之難、山川之險卻從來難不倒勤勞智慧的中國人，中國人總能險中制勝、創造奇跡。
四川涼山自治州的錦屏山脈位於雅礱江之南，放眼望去，這裡層巒疊嶂、險峻陡峭，雅礱江奔流在此改道形成了一個U形大河灣。為了連接河灣東西兩端的錦屏一級、錦屏二級水電站，兩條長約17.5公里、73%的洞段埋深大於1,500米的錦屏山交通隧道於2008年實現雙洞貫通。正是藉此隧道工程的光，2010年中國建成了首個極深地下實驗室。
錦屏山最高峰海拔為4,400多米，山中的交通隧道海拔是1,500多米。錦屏地下實驗室剛好位於隧道中間位置，是從隧道平行一側挖鑿出來的一個長40米、寬和高各為6米的空間，實驗室頂部的垂直岩石覆蓋厚度達2,400米。這一數據大於岩石覆蓋厚度為2,300米的美國杜賽爾二期地下實驗室，以及岩石覆蓋厚度約2,000米的加拿大斯諾地下實驗室，使得中國一舉打破世界最深地下實驗室的紀錄，成功拿下又一項“世界之最”。
不僅是世界最深，錦屏地下實驗室的宇宙射線通量也是世界最小，並且還擁有多項得天獨厚的資源優勢，綜合條件最為完備。
錦屏地下實驗室可以說是世界上最“乾淨”的地下實驗室，所謂“乾淨”，指的是其受宇宙射線干擾的影響最小。由於隱藏在山體之下，巨大的岩石層就像籠罩在實驗室外的天然屏障，能屏蔽阻隔大部分宇宙射線的進入。此外，錦屏山岩石主要為大理岩，岩石層本身的天然放射性也非常低。
因此，錦屏地下實驗室內的宇宙射線通量可降至地面水平的億分之一。形象地看，這代表著，如果山頂上有1億個宇宙射線粒子射向錦屏地下實驗室，最後大約只有1個能夠進入室內。
與其它礦井式實驗室不同，要進入錦屏地下實驗室並不是以傳統電梯直下的“遁地”方法，而是從錦屏交通隧道的入口乘坐汽車就能平穩安全到達。寬大水平的錦屏交通隧道就像錦屏地下實驗室的“生命通道”，可以直接用來運輸實驗設備和其它生活資源，為實驗室的運營維護提供了極大的便利。隧道外的錦屏水電站可為實驗室的照明和設備運行提供充足的電能，雅礱江豐富的水資源又可幫助實驗室大功率設備進行冷卻。
錦屏地下實驗室集天時、地利與人和而建，從全球範圍來看，都是一個不可多得的科研“神器”。讀者們一定好奇，為什麼要把這座實驗室建在地下？深埋在山岩之下有何作用？它的獨特優勢又該怎樣發揮呢？
答案非常簡單——錦屏地下實驗室世界最深，其宇宙射線通量也最小，所以它的最大用途是探測暗物質——可實施起來卻並不容易。
在物理學領域，暗物質誠如其名，是人類至今都未曾探明的一大謎團。宇宙學研究表明，在整個宇宙物質質量中，人類能看到的普通物質只佔約5%，其餘95%看不到的稱為暗物質和暗能量。由於暗物質不發射任何光及電磁輻射，因此它不僅不能被肉眼所見，而且無法通過電磁波進行觀測，所以縱然有數不盡的暗物質遍布周圍，人類卻始終沒能確切捕獲它的存在。
每一項科學發現，都會幫助人類對物質世界和宇宙的認識更進一步。暗物質研究是當前物理學領域中最前沿、最基礎、最重要的研究課題之一，毋庸置疑，發現並研究暗物質必將帶來物理學的又一次重大革命。
當前，暗物質探測方法大體可分為三類：直接探測、間接探測和對撞機探測。其中，直接探測暗物質最好的方式就是“入地”。由於暗物質與普通物質之間的相互作用極其微弱，被探測器捕捉的概率也十分微小。所以為了最大限度地把其它種類的宇宙射線排除在外，讓“純淨”的暗物質與探測器直接發生碰撞，這種實驗往往需要在地下深處進行。為此，美國、加拿大、英國、法國和日本等許多國家早已開始紛紛建立起極深地下實驗室，力爭能夠成為世界上最早發現暗物質的國家。
在暗物質探測領域，中國沒有掉隊，並且成功反超。2015年，中國成功發射“悟空”號衛星，是目前世界上觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衛星，超過國際上所有同類探測器。“悟空”號的探測方式是在太空對暗物質進行間接探測，而在錦屏地下實驗室，一台由清華大學領導的CDEX高純鍺暗物質探測器正在等待與暗物質進行一次載入史冊的直接碰撞。
從錦屏地下實驗室縱切面來看，除了山體岩石的天然保護外，為了盡可能地減少其它宇宙粒子對探測器的干擾，探測器外還設有多層特殊防護“盔甲”：包括50厘米厚的混凝土，用於阻攔和吸引中子的1米厚聚乙烯材料，屏蔽伽馬射線的20厘米厚鉛層，進一步吸收熱中子的20厘米厚的含硼聚乙烯。探測器最內層還被直接罩上了一座10厘米厚的高純無氧銅房子，用來阻擋其它材料本身包含的伽馬射線。
幾乎沒有宇宙射線干擾的錦屏地下實驗室，讓中國擁有了世界領先的暗物質探測能力。或許在不久後的某一天，暗物質就將在華夏大地被最先“照亮”。
2009年，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽訂戰略合作協議，啟動中國錦屏地下實驗室建設。2010年，錦屏地下實驗室（一期）建成並投入使用。2014年，錦屏地下實驗室（二期）開工擴建。基於錦屏地下實驗室（二期）的“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”項目，在2016年被列入國家重大科技基礎設施“十三五”規劃。2018年12月，國家發展改革委正式批覆該項目可行性研究報告。
“十年磨一劍”，今年7月20日，“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”開始進駐地下，這在錦屏地下實驗室的發展歷程中具有里程碑式意義。
早在錦屏地下實驗室（一期）建成後，清華大學領導的CDEX高純鍺暗物質探測實驗和上海交通大學領導的PandaX液氙暗物質探測實驗，最先入駐開展研討。如今，這兩個項目已陸續發表了一系列突破性研究成果，使中國暗物質直接探測實驗在較短時間內實現從無到有、從“跟跑”到“並跑”的飛躍。
目前，錦屏地下實驗室（二期）正在緊張施工中，建成後的實驗空間將增加到30萬立方米，是世界上可用空間最大的極深地下實驗室。二期共包括8個實驗大廳，可以同時容納多個大型深地科學實驗項目。
錦屏地下實驗室空間面積擴大後，還將進一步帶動實驗室研究範圍的拓展。按照規劃，“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”的主要建設內容包括極深地下實驗室綜合運行維護支持平台、極深地下極低輻射本底輻射屏蔽平台、極深地下極低本底分析測試平台以及地上輔助實驗平台，整個項目建設期為5年。這就像為錦屏地下實驗室全方位進行整裝升級，使之具備國際領先的深地物理實驗綜合條件，有望成為世界深地物理研究的“旗艦”實驗中心。
未來，除了暗物質直接探測實驗外，無中微子雙貝塔衰變實驗、核天體物理領域關鍵核素合成過程和恒星演化等粒子物理和核物理領域的重大基礎科學前沿問題研究都可以在錦屏地下實驗室展開。同時，這裡還可為中國建設完善的輻射計量基準提供實施條件，從而推動材料科學、生物學、環境科學、海洋科學等交叉領域的研究創新。
“酒香不怕巷子深”，中國錦屏地下實驗室的絕佳實驗環境和先進綜合條件自然引起了國際科學界的高度關注，已有多個國外科研團隊向錦屏發起了入駐申請。
自本世紀初開始，中國科學家和團隊要想從事基礎科學前沿研究，只能以配角身份到國外參與項目。而現在，錦屏地下試驗室的建成和升級，為中國牽頭開展國際級大科學合作贏得了主動權。當然，這也促使中國應當儘早考慮加強國際科研合作的軟環境建設，包括人員流動、實驗設備的通關和監管、知識產權等問題。
本文發表於《紫荊》雜誌2019年10月號
責編：莫潔瑩、趙珊
編輯：李博揚、周琦、余婧
