​地下2400米！为寻找宇宙幽灵，中国建岩石覆盖最深的超纯净实验室

地下2400米！为寻找宇宙幽灵，中国建岩石覆盖最深的超纯净实验室

在四川雅砻江锦屏水电站附近的锦屏山的深处，有一个垂直岩石覆盖达2400米的地下实验室，这是国际上岩石覆盖最深的地下实验室，也是中国首个极深地下实验室：锦屏地下实验室（英文简称：CJPL)。

不要小看这个实验室，国际顶尖期刊《Science》曾多次报道锦屏地下实验室的建设和发展。它是用于探索科学最最最前沿的领域，未来在这座实验室里，很有可能会产出足以比拟牛顿力学、相对论、量子力学的革命性科学发现。

那么问题来了，为什么要在这么深的地方建造实验室？

因为锦屏地下实验室寻找的是“宇宙的幽灵”，也是人类迄今为止最难找到的一种物质。

这个宇宙的幽灵就是：暗物质，除此之外，屏地下实验室还有中微子实验、无中微子双贝塔衰变、核天体物理研究、深地医学研究、岩土力学研究等基础物理研究。

其中，暗物质也被人戏称为：宇宙幽灵，而中微子则是被叫做：幽灵粒子，从这两个称呼当中，我们就不难发现，寻找暗物质和中微子到底有多难！

我们就来简单的举两个例子，在日本神冈町的茂住矿山地下1000米深的地方，存放着5吨100%的超纯水，这其实就是用来寻找中微子的大型中微子探测器，叫做：超级神冈探测器。

类似的装置，在南极也有一个，这就是南极冰立方中微子天文台，位于南极地下1900米处，上面被厚厚的冰雪层所覆盖，这也是用来寻找中微子的装置。

然而相比中微子，其实寻找暗物质的难度更大。毕竟现在我们已经观测到了三种中微子的存在，却连暗物质的影子都没摸到。

而暗物质其实才是宇宙中的主流，根据标准宇宙模型理论，暗物质的总量是我们已知物质的6倍。目前已知的物质占据宇宙总量不到5%，而暗物质则达到了26.8%，剩余的是暗能量。

要对宇宙万物的认识有革命性提升，就需要搞清楚暗物质和暗能量。但是暗物质由于不参与到电磁相互作用，强相互作用，极少参与弱相互作用，而我们常规的观测手段却要借助电磁相互作用。所以，对于暗物质的探测成为了一个非常困难的事情。几乎每时每刻，都有成吨的暗物质穿过我们的身体，但是我们其实察觉不到，即便是用上最先进的探测器，也没办法找出它们来。我们国家太空中的悟空探测器就是用来探测暗物质的。

在地球表面有大量的宇宙射线，它们会干扰观测暗物质，这大概相当于在一个喧闹的教室里，找到一根头发落在地上的声音。所以这就需要屏蔽掉这些射线，只能在极深的地下，且要尽可能排除掉自然界中的射线，尽可能做到”纯净“。

虽然要实现这一切非常难，但对于暗物质的研究，可以帮助我们了解宇宙起源和演化，大大扩展人类对于理论物理学的认知，这方面的突破是可以带来前所未有的科学突破。所以，谁能搞清楚暗物质，谁就很有可能引领下一场科学革命，进而在下一场技术革命中成为领导者。

因此，各国很早就开始注重暗物质的研究了，美国、英国、法国、意大利、加拿大、日本等国家都设立过地下实验室来寻找暗物质。

而在众多的地下实验室当中，我国锦屏地下实验室绝对是属于世界一流的水平，它是世界上岩石覆盖最深、可用空间最大、宇宙线通量最低、综合条件最好的深地研究平台。

那么问题来了，锦屏地下实验室都有哪些独到之处呢？

锦屏地下实验室可以说是一座现实版的地下城，不过它不是真的在地下，而是在锦屏山当中，实验室上方的垂直岩石达到了2400米，锦屏地下实验室需要从锦屏山的隧道进入，隧道长17.5公里，实验室位于隧道的中心位置。因此，进入实验室需要开车行驶8.75公里。

而实验室上方的额垂直岩石是由大理岩所构成，庞大的山体岩石抵挡住了绝大多数的宇宙射线，天然放射性杂质含量非常低，同时实验室采用的是低放射性材料，这使得锦屏地下实验室成为了世界一流的洁净的低辐射研究平台。

锦屏地下实验室一期工程空间容积约为4000立方米，一共包括了三部分：地下实验室入口隧道、连接隧道和主实验厅。其中，主实验厅的长度40米，宽6.5米，高度7.5米。

2016年，锦屏地下实验室二期项目被列入国家重大科技基础设施“十三五”规划，现在二期工程正在建设，将要建设出一个33万立方米的地下探测空间，这相当于是一期工程的83倍，由实验厅、辅助隧道、服务隧道、连接隧道、排水隧道五部分组成，这个规模已经足以称得上是一个“地下城”的水平了。没想到吧？流浪地球中的设想，其实在锦屏地下实验室二期就已经可以实现了。而到2024年，所有的试验将会在二期工程中进行。

为了把锦屏地下实验室建设成为最“纯净”的实验室，在地下2400米的深度，最大的污染源是水，岩石中的氡气，要知道氡气是具有电离辐射的，这会污染试验。因此，就需要防水防潮，抑制氡气，把它们屏蔽在实验室的外面，这当中就用到了不少黑科技。

仅仅是把环境做到“纯净”也还是不够的。试验到底能不能成功，还需要借助超高精度的探测器和高水平的研究人员。这里配备了全球最齐全的实验装置，清华大学和上海交通大学都在此设立的研究课题，汇集了20多位世界顶尖的研究人员。

以往暗物质探测器技术，我国也曾被欧美国家卡脖子。不过后来清华大学主导的实验小组实现了技术突破，全球首创了高纯锗探测器，其中锗的纯度达到了99.99999999999%（小数点后11个“9”），需要保存在零下200度的环境中。

高纯锗的外包用铅和铜等材料层层包裹，再把它放入到墙体厚度达到1米的聚乙烯隔离检测室。

说白了这些操作，都是在尽可能地排除掉外界的干扰，这样才有可能捕捉到微弱的暗物质粒子的信号。这个高纯锗探测器是目前已知的能量分辨最准的探测器，

这就使得在一定的范围内，高纯锗探测器是全球直接观测暗物质灵敏度最高的探测器，也就是说，在寻找暗物质的这条赛道上，中国其实是走在最前列的国家之一。

虽然到现在为止，该实验室还没有探测到暗物质粒子的存在，但是经过十多年的摸索，该实验室已经攻克了30多项关键技术，且这其中的一部分技术还被运用到了产业当中，比如：核能。

不仅如此，科学家还把这个暗物质探测器逐渐发展成了多物理目标探测器，在粒子物理领域，取得了不少成果。

相信在不远的未来，锦屏地下实验室将会带来更多的科学成果，甚至是发现暗物质粒子，引领一下人类的科学革命。

关于暗物质，我们这里额外补充一些知识：

暗物质，其实指的不是黑色的物质，而是看不见的物质。这里的“看不见”不仅仅是肉眼看不到，而是人类使用的各种观测和探测设备都看不到。那么问题来了，如果都发现不了，咱们如何知道它们真实存在的呢？

我们都知道，地球位于太阳系内，绕着太阳转。太阳系在银河系内，其实也是绕着银河系中心在转，按照现有的理论可以推算出太阳系绕银河系运动的速度是160km/s。可实际上并非如此，科学家发现，这个速度达到了240km/s。

实际值比理论值高出这么多，如果没有额外的引力牵制住，那么太阳系就会飞出银河系。

科学家还发现，很多星系都有类似的情况，那么这额外的引力从哪里来？

科学家把这种提供额外引力的物质就叫做：暗物质。说白了就是暗物质并不是直接被我们观测到的物质，而是理论上预言的。相信看到这里，很多人就有疑问了，既然只是理论预言，为何全球要搞这么大阵仗找它？

这其实是因为主流的科学观点认为：它应该是存在的，只是很难被我们观测到而已。那这究竟是咋回事呢？

话说宇宙中存在着四种相互作用，分别是引力、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。

我们日常生活中，接触的“力”除了引力之外，剩余的都是电磁相互作用。无论是支持力、弹力，还是摩擦力，其实本质上都是电磁相互作用。至于强相互作用和弱相互作用其实都是原子核及以下的尺度才起作用。

人类观测其实依靠的也是电磁相互作用。而暗物质具有质量，可以参与到引力作用当中来，但同时它又不参与到电磁相互作用，所以我们观测不到它的存在。

由于暗物质具有这样的性质，以至于它即便是穿过我们的身体，我们也根本参与不到。很多人可能有疑问了，它不是还有引力吗？

这是因为万有引力想要显著起到作用，需要相当大的质量，只有那些大天体才比较显著。而现在正在穿过我们身体的暗物质没有达到那么大的质量。不过，从星系的尺度上看，它的作用就已经十分显著了。

除此之外，现在已经有大量的“间接”证据可以作证暗物质的存在，且是大量的存在，是我们已知物质的6倍左右。而暗物质由于具有引力作用，且物质总量远大于已知物质。因此，无论是过去，还是现在，它都是影响宇宙演化的一个关键因素。搞清楚它，人类的认知水平将会大幅度的提升。