在世界最深实验室仰望星空

穿越17.5公里长的锦屏山隧道，不仔细看周围粗粝裸露的岩层，这里和其他隧道没有太大差别。地面硬化过，车很少，隔一段就有闪着白光的地灯和消防设备。但行驶到隧道中段，会有一点不同，周遭太安静了，有凉气和潮气顺着脚底向上爬。此刻，你已置身世界最深地下实验室的入口，头顶是2400米厚的岩层。

这是中国首个极深地下实验室，位于四川凉山锦屏山的腹部，从隧道一侧入口开车到此，只需二十多分钟，但却和外面的世界截然不同。地下的辐射极低，和地表相比有上亿倍的差距，而在低辐射的“干净”环境中，可以探寻关于宇宙、人类和世界的终极问题：宇宙如何演化？人类从哪儿来？

2023年12月，中国锦屏地下实验室二期正式投入科学运行，它的全称是“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”（以下简称“锦屏大设施”），由清华大学与国投集团雅砻江流域水电开发有限公司（以下简称“国投雅砻江公司”）共同建设。自中国锦屏地下实验室一期建成以来，实验室在前沿基础研究领域，成果不断涌现，已累计发表高水平论文120多篇，其中2篇刊发于《自然》杂志，23篇刊于《物理评论快报》。

最早入驻实验室的两个团队，分别是清华大学中国暗物质实验组（英文缩写CDEX）和上海交通大学粒子和天体物理氙探测器实验组（英文缩写PandaX），他们一直在地下捕捉人类看不见的暗物质“幽灵”，如果真的发现，绝对将引发一场物理学革命。现在，虽然物理学的未来还具有不确定性，但至少在锦屏地下实验室，能清晰地听到宇宙的微弱声音。

从“游击队”到“正规军”

四川凉山，雅砻江从青藏高原一路奔腾而下，撞上“两峰连列如屏”的锦屏山。气势如虹的江水被打出了个弯，弯出了150公里的大河湾。河谷深切，天然落差达300多米，成为水力发电的最好条件。锦屏一级、二级水电站就在锦屏山两侧隔山相望。在这之间，截弯取直，两条平行的超长交通隧道从山体腹部深处穿过。工程人叫它们A、B隧道。

2008年8月8日，北京奥运会开幕式当天，清华大学工程物理系暗物质团队成员无意间看到锦屏隧道贯通的新闻。这条令人“激动不已”的新闻说，隧道最大埋深2375米，埋深大于1500米洞段占隧道总长的73.1％。

当时，从北京、安徽的煤矿，到河北的金矿，秦岭隧道，岳骞四处寻觅矿井和隧道已经有四五年了。他是当时清华大学暗物质实验组负责人，也是2009年成立的CDEX实验组负责人。暗物质和暗能量是当代物理学头上名副其实的“两朵乌云”，至今仍是最前沿的领域。物理学家早就发现，宇宙中，人类已知的物质只占宇宙质量约4.9％，更辽阔无边的宇宙画布上，还有一类神秘物质约占26.8％，它们不发光，也不参与电磁相互作用，很难被我们“看见”，因此被称为暗物质。

为了探测到暗物质，人类努力了100多年，至今还没有结果。物理学家们没有放弃。他们把探测器放到地下一个安静角落里，探测器内设一个靶标，如果靶物质与暗物质相撞，就会从中获得一点极其微小的能量，然后转化成人类可以识别的电、光、热等信号。岳骞对《中国新闻周刊》说，原理虽然简单，实验难度却非常大，因为暗物质仿佛“幽灵”，和普通物质相撞的概率极低。即使大型探测器，等上一整天，也未必能遇上一次碰撞。

相比之下，从宇宙进入地球的大量射线和周围环境辐射中的放射性核素，平均每天和靶物质的碰撞就能达到上亿次。“我们不是看不到信号，是看到了太多的信号。要在海量的干扰信号中发现极少的暗物质信号，无异于大海捞针。”岳骞说。

在地面“清干净”宇宙射线很困难。意大利国家核物理研究院的物理学家马可·塞尔维有一个经典形容：从地球表面探测暗物质，就像在人声鼎沸的体育场里辨认一个小孩发出的微弱声音。所以，实验室最好建到极深的地下去。那里，厚厚的岩层对宇宙射线有阻挡效果，实验室所处位置越深，宇宙射线越少。

国际上地下实验室的选址无非两种：矿井或隧道。中国锦屏地下实验室主任程建平是锦屏一期、二期项目的负责人，他对《中国新闻周刊》说，在锦屏之前，中国没有自己的深地实验室，清华大学早期的暗物质实验只能借韩国实验室几平方米的空间进行。“受限于实验场所，中国的科学家只能参与别人的基础研究，无法成为主导者。”

此前，国际上有名的地下实验室如意大利LNGS、法国Modane和美国DUSEL深度都在1100～1700米之间，最深的加拿大SNO地下实验室也只有2100米。2009年3月，岳骞第一次进入锦屏山腹部，隧道的施工还在收尾，由于埋深大，渗水多，隧道里到处都是积水，“就像行驶在河里”。他此行有非常重要的任务：在山体内最深的地方取一块岩石样本，带回实验室检验，看它“干不干净”。

后来的检验结果表明，锦屏地下实验室接收到的宇宙射线量是全世界最低，仅为地表的一亿分之一，比意大利LNGS地下实验室小100多倍，比岳骞以前工作过的韩国Y2L地下实验室小几千倍。“样本周围的岩石也非常干净，其天然放射性核素含量比北京地表环境辐射的几十分之一到几百分之一还低。”岳骞说。而且，相比他此前咨询过的矿井和隧道，锦屏的科研条件也符合要求。前沿研究对环境要求很苛刻，除了深度，还要有足够安全的工作环境，稳定的电力供应等后勤保障。

负责锦屏水电站开发的国投雅砻江公司，当时还叫二滩公司。2009年5月8日，清华大学与二滩公司签署战略合作协议，双方决定共建中国首个极深地下实验室。选址利用了施工时做岩石力学实验的一个小实验洞，在此基础上扩挖出约4000立方米的空间，到2010年底，实验室一期投入使用，中国自主的暗物质探测实验也从无到有。

但仅仅从无到有还不够。实验室运行到2014年，程建平开始面临一个两难的选择：是否继续建设二期？清华和上海交大实验组的实验进一步升级，需要更大空间。更多实验团队也纷纷提出需求，希望利用极低辐射的环境开展研究。但同时，一个现实难题摆在了面前：经费从哪儿来？

他打了个比方，“以前我们在这里盖了一栋住房，清华和上海交大团队合住在这儿。现在，国内外其他科研机构也需要这样的条件，所以，我们得扩建出一个小区。问题是，小区还要‘七通一平’，水、电等公用基础设施都需要巨大的经费投入”。而且，留给他的决策窗口期很短：锦屏水电枢纽的所有工程都进入收尾阶段，他必须当机立断，否则等施工队全部撤离、机械设备也被搬走，此前打好的很多辅助隧洞全部回填，要想再建，重新招标，成本会更高。

“当时真的非常焦虑和纠结。”程建平说。他还是决定再往前走一步。2014年8月，清华和国投雅砻江公司再次签署共建协议，双方约定各自自筹经费，把二期的实验洞扩挖出来。

幸运的是，2017年，该项目入选国家“十三五”重大科技基础设施十个优先启动项。2018 年底，获国家发改委批复支持建设。自此，锦屏地下实验室二期正式升级为“锦屏大设施”，并于2020年12月开工。2023年底，“小区”的“精装修”基本完成，实验室二期开始投入使用。“以前我们相当于游击队，现在是国家正规军了。”程建平说。

打造世界最“洁净”的实验室

从一侧洞口开车进入A线隧道，行驶到约9公里处再向南，拐入一条坡度很大的辅助隧道，就可以分别前往二期新挖的四个实验大厅。与一期相比，二期的实验室空间扩大了近80倍，可利用空间超30万立方米。

和裸露着岩石原始面貌的交通隧道相比，这里完全是另一个世界。进入二期实验厅，入眼都是温暖明亮的米黄色，光洁，细腻，紧密又贴合地包裹住四周的洞壁，且随原始的岩层凹凸起伏。

为避免长期在地下工作的人心理压抑，清华大学特意找美院老师进行视觉设计，将实验室环境打造成暖色系。但涂层不只是为了装饰，它是二期建设施工中最大的挑战。“它的表面要做到光滑和洁净不沾灰，因为灰尘里也有放射性核素，会对实验环境造成污染。”锦屏地下实验室管理局工程技术部副主任李宏璧对《中国新闻周刊》解释。

人类生活环境中本来就存在的辐射，又称为本底辐射。物理学家们发现，暗物质探测的“头号敌人”宇宙射线被消灭之后，“身边的敌人”成为影响实验结果的关键。

氡气是一种由放射性核素镭-226衰变而来的惰性放射性气体，会不断从岩石、土壤以及山体裂隙渗出的水中逸出，建筑材料中的放射性核素也会衰变成氡气。这些无色无味的污染源不仅影响实验运行，如果浓度过高，还会对人体产生伤害。因此，为了尽量减少环境辐射，二期建设者的首要任务，就是“防水抑氡”。

李宏璧介绍，实验室墙面的米黄色“防护服”虽然厚度仅10厘米，却由10层结构组成，采用了很多放射性受控的非常规材料和工艺创新，攻克了一系列技术难题，整合而成的“防水抑氡”方案是世界首创，对山体围岩释放氡气的抑制率达99％。

设计方案时，控制本底的一个核心原则是减少混凝土用量，这源自一期建设中的教训。清华大学工程物理系研究员曾志是锦屏地下实验室低本底组负责人，他对《中国新闻周刊》回忆：“一期时，给我的任务就是选水泥，当时工程紧张，现场只用两种水泥产品。做了实验才发现水泥自身的本底也很高，尤其混凝土原材料中有一种纳米添加剂，放射性本底特别高。”曾志总结，最初以为是来给暗物质研究“做好低本底服务”，结果发现，本底控制是深地实验室的一个核心能力。

到二期建设时，清华团队变得更小心谨慎。所有施工材料必须经过清华的低本底检测合格后才可以进场，不达标就要更换材料，或和厂家一起联合研发。对工程人来讲，这一要求是首次听说，也就意味着一切要从零开始。

主要施工单位中建三局的锦屏大设施二期项目总工程师谭雷对《中国新闻周刊》说，最难的是材料选择，有很多不确定性，如果一直找不到合格的材料，还会拉长工期。很多自然形成的无机材料，辐射没法人工控制，只能通过海量筛选，去碰运气。“比如砂石，工程项目采购砂石的运输距离一般不超过10公里，但我们筛选了几十家砂石料厂，最终选择了离锦屏地下实验室100多公里远的一个厂家，运费比购买材料的成本还要高，真的是不计代价。”

但建好一个“洁净”的房子后，降低本底的过程仍没有完成。环境中的材料都含有放射性核素，能发出光子、中子等辐射，也需要屏蔽。为此，实验人员还要在探测器外建立屏蔽体。CDEX实验组的探测器已经升级到第三代，屏蔽体材料也在不断更新。曾志说，第一代核心屏蔽材料是铅和铜，后来发现国产铅的本底太高，而进口的罗马老铅又成本太高，第二代开始就尽量少用铅，用更干净的铜来取代铅。