四川修的水电站，“送”了一间世界最强的深地实验室

图片来源：PandaX-4T

大量观测证据表明，宇宙中我们熟悉的物质只占全部物质质量的5%，剩下的95%都是我们看不见摸不着的暗物质。根据暗物质建立的ΛCDM模型（ΛCDM Model），更是成了当今宇宙学中的“标准模型”。它能解释宇宙中大多数问题，但却有一个关键的缺陷： 物理学家们从未找到过暗物质 。并且，粒子物理的标准模型也存在一些缺陷，比如无法合理解释希格斯粒子质量为何如此之小，也无法解释不同费米子间质量的巨大差异等。自20世纪下半叶起，理论物理学家就发展了一些新物理模型，表示 如果我们找到了特定的暗物质粒子，那么宇宙学和粒子物理学上棘手的问题就能同时解决 。所以现在很多物理学家的工作就是寻找这种粒子。

寻找暗物质

但暗物质之所以被称为暗物质，就是因为人类始终没能发现它。暗物质自然不是那么好找的，要么需要像“悟空”暗物质卫星（DAMPE）一样“上天”， 在宇宙中探测暗物质粒子湮灭产生的稳定末态粒子，间接推测暗物质粒子的性质 ； 或者干脆直接用对撞机把暗物质“撞”出来 ，但这种方式实在是太贵了。虽然暗物质很难和普通物质相互作用，但如果观测介质足够多，我们总归还是能找到暗物质粒子与观测介质相互作用的证据的。但如果在地面上进行这样的实验，就算真的能引发暗物质粒子的作用，它的信号也只能淹没在无尽的噪声中——宇宙射线带来的干扰太强了。这时，我们就需要干脆“入地“，用地球隔绝宇宙粒子的干扰，而暗物质粒子不轻易和其他物质相互作用，具有强大的穿透能力，探测器就能 直接探测 到暗物质了。

不过不是随便哪里都满足科学家“入地”的条件的。 直接探测暗物质的探测器对实验场地的要求非常苛刻 ，它必须被放置在地表千米以下的深地实验室中，否则探测精确度会受到非常大的影响。如果实验室足够深，但周围岩石土壤放射性较高，同样会让实验无法进行。此外，成本也非常重要，科研经费毕竟是有限的。这是一个非常矛盾的要求，因为在大多数情况下，开挖深洞是非常昂贵的。为了找到他们的“应许之地”，中国粒子物理学家已经探寻了十几年。

修水电站送的实验室

2008年，一条新闻在电视上播出——世界第二深埋隧道：锦屏山隧道贯通，它立即引起了清华大学粒子物理学家岳骞的兴趣。这条隧道位于四川雅砻江的锦屏大河湾。雅砻江水能资源丰富，2008年时，雅砻江上规划的水电站装机容量就达到了3000万千瓦以上，相当于1.5个三峡水电站。而锦屏大河湾又几乎是雅砻江上水能资源最密集的地方， 150千米长的U形大弯两端直线距离仅17公里，水平落差却高达312米 ，这对水力发电而言是无法拒绝的诱惑。锦屏一级水电站和锦屏二级水电站就分列在锦屏大河湾的两端。为了向下游锦屏二级水电站引水发电，工程师决定直接挖穿锦屏山。

最终，在施工团队艰苦卓绝的努力下，他们终于挖穿了17.5千米左右的引水洞和交通隧道。而这时，曾经给施工团队带来难以计数的困难的深度，反而让粒子物理学家心中燃起了希望。 锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度最厚能达到2.5千米 ，人类从没有在这么深的地方建立过实验室。并且，以往的深地实验室大多依托矿井而建，需要依靠电梯进出。如果在锦屏山实验室中建立深地实验室，科研团队可以直接开车进出，而且隧道周围的配套生活工作设施完善，是 国际综合条件最好的极深地下实验场所 。

就这样，岳骞和团队马上联系了负责隧道工程的二滩水电开发有限责任公司（2012年改名为中国雅砻江流域水电开发有限公司）。对实验室建设地点的岩石取样分析表明，中国锦屏地下实验室周围岩石整体由大理岩构成，其天然放射性杂质含量非常低，适合建造实验室。2009年5月8日，清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司签订协议， 共同建立中国锦屏极深地下暗物质实验室（CJPL） 。

 成果丰硕

最终，物理学家得到了梦寐以求的实验室。2010年12月，CJPL正式投入使用。清华大学和上海交通大学分别在这个实验室中展开了“盘古”（CDEX）和“熊猫”（PandaX）暗物质探测试验。“盘古”将10千克高纯锗探测器阵列置于1700立方米的大型液氮恒温器中寻找暗物质粒子。而“熊猫”则用了4吨液氙作为探测器。氙原子和假想中的“弱相互作用重粒子”(weakly interacting massive particles，简称WIMPs）质量十分接近，两者也更容易相互作用。在过去的20年中，气体液化提纯技术飞速发展，也让科学家有能力建造大型液氙 探测器。

近日，我国的“熊猫X“实验（PandaX-4T）最新实验结果在 《物理评论快报》 上公布，再次刷新了人类对WIMP粒子的探测极限， 对假想存在的质量为40GeV的WIMP粒子属性做出了最严格的限制 ，包括它与核子的作用率等。再次帮人类排除了一部分暗物质的候选者。

实验室给物理实验带来的增益让粒子物理学家非常满意，CJPL对宇宙线的屏蔽效果较国际上唯一 的深地实验室意大利 地下核天体实验室（LUNA）高出约100倍。从结果上就能看出来——CJPL的二期工程被列入了国家重大科技基础设施“十 三五”规划。

CJPL的功能也不仅仅是寻找暗物质。中国原子能科学研究院把加速器搬到了这个实验室里，展开了锦屏深地核天体物理实验（JUNA）。凭借CJPL优秀的环境条件，JUNA的测量灵敏度和统计精度均高于国际同类装置水平，达到国际核天体物理直接测量的最大曝光量、最宽能量范围和最高灵敏度。12月18日，JUNA发布首批4个核天体物理关键反应实验研究成果。其中12C(α, γ)1?O反应测量实现国际最高灵敏度，该反应直接决定了碳和氧在宇宙中的比例，对上至铀的几乎所有核素的丰度都有重要的影响，该反应机制复杂，截面极低，实验测量非常困难， 被誉为核天体物理的“圣杯” 。

虽然实验室是修水电站“送”的，但丝毫不影响它成为世界最优秀的深地实验室。在CJPL二期中还要建设“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”。建成后，物理学家将获得 宇宙线通量小于每平方米每年100个，， 地下 可利用容积超过30万立方米， 拥有完善的水、电、空调通风等配套设施的完美实验场所。不管是寻找暗物质，还是研究组成我们身体的元素是如何产生的，未来，CJPL都将带给我们更多惊喜。