图片来源：PandaX-4T
四川雅砻江的锦屏大河湾蕴含丰富的水能资源，工程师决定在这里修建水电站。寻找暗物质的物理学家却看中了水电站的隧道，于是两者合作在近2.5千米的地下隧道中建立了深地实验室。现在，这个“赠品”实验室已经成为了世界上综合条件最好的极深地下实验场所，并且，这座因暗物质而出现的实验室，现在的作用已经不局限于暗物质搜寻。
撰文｜王昱
审校｜白德凡
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。
锦屏山隧道连接了锦屏一级水电站（Jinping Ⅰ）和锦屏二级水电站（JinpingⅡ）。图片来源：SCIENCE 5 Jun 2009 Vol 324, Issue 5932 • pp. 1246-1247
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。
锦屏隧道剖面图及中国锦屏地下实验室位置示意图。图片来源：中国锦屏地下实验室
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。
大型液氙探测器，以PandaX为例。图片来源：PandaX
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。
图片来源：国家发改委高技术司
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)¹⁶O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。
