锦屏大设施，世界顶级地下实验室

侯宏伟

2023年12月 ，有一个神秘的地下实验室投入科学运行，吸引了全世界的关注。

它被称为“世界最深”：在锦屏山下，它的垂直埋深有2400米；它被称为“世界最大”：有33万立方米的空间；它的宇宙线通量最小，仅为地表的一亿分之一。

在这个实验室里，有全球最大的物理实验室液氮恒温器，容积相当于一个标准游泳池；有全球最长距离的新风供风系统，每天可送新风45000立方米。

它就是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”。

有“二”就有“一”，锦屏地下实验室一期早在2010年就已建好。十几年来，已有多个科研团队在这里取得了近30项国际领先成果，张震宇所在的清华大学CDEX“中国暗物质实验合作组”就是其中之一。寻找暗物质，聆听来自宇宙的声音，张震宇眼中的锦屏大设施有什么特别之处呢？

此“深”非彼“深”

“垂直埋深”2400米，是从地上往地下直着挖这么深吗？

不是这样的。我们从锦屏山脚下进入实验室，完全是平地行走。这个“2400米”是指实验室的顶部有2400米高的锦屏山岩石。

如此独特的“深”，为开展多项科学研究创造了条件非常优越的环境，其最大的优势之一，是为实验设备的运输提供了先天条件，再大、再重的实验设备也能很方便地运送到实验室。

国际上许多地下实验室是基于矿井建成的，科研人员想要进入实验室，有时甚至需要与采矿工人共乘垂直电梯。这样一来，如果想要把一些大个头儿的设备运下去，就会受到限制。

“深”藏不“透”

为什么要把锦屏大设施建在这里呢？因为这里的“深”有利于屏蔽宇宙线，使得实验室的宇宙线通量仅为地面的一亿分之一。也正因如此，锦屏大设施被称为“研究暗物质的绝佳场所”。

在暗物质探测实验中，最重要的一个指标就是信噪比（信息与噪声的比率），我们需要的是一个受噪声干扰尽可能小的实验环境。

在地面上，暗物质探测器会接收到各种各样的信号，包括宇宙射线、环境中的放射性同位素等释放的粒子等。我们称这些信号为“本底”。在实验中最难的是，无法区分我们想要的信号和这些本底信号。如果有太多无关的本底信号，我们想要观测的信号就会被淹没掉。

地下实验室就不一样啦——

·2400米厚的岩石阻挡了大量的宇宙射线；

·锦屏山岩体主要由大理岩构成，自身辐射低；

·实验室创新使用了10层复杂结构做的“防护罩”，屏蔽了山体产生的水和氡气。

就这样，“本底”降低了，“信噪比”提高了，探测器就更容易得到我们想要的信号。

通俗地说，或许好不容易有一个暗物质的信号，可是淹没在高“本底”中，我们根本发现不了它。

有一种充满能量的“暗”，叫“暗物质”

普通物质，是我们看得见、摸得着、能发生相互作用的物质。

暗物质，我们看不见、摸不着，也几乎不会与普通物质发生相互作用。但是它会参与引力相互作用。

我們最初意识到暗物质可能存在，是源于天文学上的一些实际观测与用牛顿力学等理论给出的解释不相符，比如银河系外侧的一些天体不应该转得那么快，或者它不应该在那个位置，但是现在它确实转得那么快、在那个位置。为什么会这样？肯定是有东西在“吸引”着它，这可能就是暗物质，于是科学家提出了“暗物质模型”。

可以肯定暗物质是存在的吗？

现在还不能这么说。准确地说应该是“现在的天文学和宇宙学观测强烈暗示着暗物质的存在，但我们缺乏进一步的观测手段。”天文学的观测能够提供一些暗物质存在的间接证据，但我们还没有直接“看”到暗物质。

现在的主流模型认为，宇宙物质中，普通物质仅占5%，绝大多数都是暗物质、暗能量在起作用。为了解释天文现象，更深入地认识自然界，现在我们正在做的就是想办法观测暗物质，看到暗物质。

“暗能量”又是什么？

暗能量是另一种东西，它比暗物质还要虚无缥缈。针对目前观测到的宇宙加速膨胀的现象，目前最为流行的假说是暗能量在起作用。

寻找宇宙幽灵“暗物质”

我们现在研究暗物质，主要有以下三种途径。

在锦屏大设施，你们是怎么做暗物质探测实验的？

我们每天观测探测器的信号，记录下来，然后通过统计学分析，做出推测。通过在锦屏大设施中开展的十几年的实验，我们已经取得了很多重要的成果。

暗物质探测器听起来好神秘啊！

这些探测器不仅神秘，还很精密。对探测器进行相关操作，必须隔着手套箱并在氮气的保护下进行。

具备“极低环境氡析出”“极低环境辐射”“超低宇宙线通量”“超洁净空间”等多种优势的锦屏大设施，可以盛放更多更大的设备，除了能开展众多前沿物理基础实验，还为其他科学研究提供了一个开放共享的平台。未来，它将发展成涵盖粒子物理、核天体物理、宇宙学、生命科学、岩石力学等多学科交叉的世界级深地科学研究中心，助力国家科创平台实现跨越式提升，对我们国家探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革、推动科技创新具有非常重要的意义。