中国极深实验室：探索地下2400 米

主导宇宙演化的洪荒之力到底是什么？探测占宇宙85%的暗物质对揭开宇宙奥秘至关重要，为了研究看不见摸不着的暗物质，中国建了首个极深地下实验室——它垂直岩石覆盖达2400 米，是世界最深的实验室。

主导宇宙演化的洪荒之力到底是什么？探测占宇宙85%的暗物质，对揭开宇宙奥秘至关重要，将为人类认识宇宙带来革命性的突破。科学研究苦苦探寻的答案，也许不在浩渺星空，而在地下2400 米深处。

中国锦屏地下实验室内部图

科学家在地下2400 米找什么

在深藏于四川凉山彝族自治州锦屏山地下2400 米深处的中国锦屏地下实验室里，伴随着原子核信号放大后的微微闪光，科研人员在不间断运行的仪器旁，每时每刻的工作就是“找东西”。他们在找什么？找宇宙中最“弱”的光——暗物质，它在物质起源和宇宙演化过程中具有重要地位的物质。众多观测数据表明，暗物质约占整个宇宙物质质量的85%。但它看不见、摸不着，几乎不和任何物体发生作用。

为了捕捉到神秘又“腼腆”的暗物质，21 世纪以来，国际上相继开展了20 多个探测实验。人们相信：谁先揭开暗物质的面纱，谁就将促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。

当前，暗物质探测方法大体分为“上天”“入地”和“人造暗物质”三类：“上天”指间接探测实验，为减少地球大气层的干扰，通常在太空进行；“入地”指直接探测实验，为减少宇宙线的干扰，通常在地下实验室进行；“人造暗物质”指加速器实验，即通过普通粒子的对撞来产生暗物质粒子，主要在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行。显而易见，中国锦屏地下实验室开展的研究就属于“入地”。

攻克极限挑战，建成中国首个世界最深的地下实验室

中国锦屏地下实验室的诞生并不容易。据悉，锦屏山隧洞是世界上埋深最深的隧道之一，建设过程中多次遭遇大流量突涌水，遭遇较大规模岩爆1200 多次，被国内外专家称为地下工程施工中的“癌症”。在此基础上扩挖建设实验室，稍有不慎便会再次引发岩爆、塌方，对原有隧洞造成巨大破坏，甚至对锦屏水电工程建设造成极大影响。

清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司攻克极限挑战，于2010 年建成了世界最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室。

2010 年12 月，中国锦屏地下实验室建成投运。在这里，2400 米的岩石隧道就像一个暗室，利用山体阻挡宇宙射线的干扰，为科学实验提供最“纯净”的环境。与国际上其他地下实验室相比，这里岩石覆盖最深，宇宙线通量最小，可用空间最大，并且具备交通便捷、电力及水源充足的优势。

作为前瞻引领型的重大科技基础设施，中国锦屏地下实验室为中国深地基础科学研究提供了重要平台，成为新的国之重器。实验室里放置的探测器中的靶粒子会和暗物质“相撞”，科学家们把两者相互作用后的各种参数记录下来，从中统计规律，再利用这些蛛丝马迹拼凑出暗物质的信息。

在地下实验室里，中国取得了颇多成果。2013 年，CDEX合作组发表了我国首个暗物质直接探测实验结果。2014 年，给出点电极高纯锗暗物质探测方面国际最灵敏实验结果，这一结果利用相同探测技术，确定性地排除了美国CoGeNT 实验组给出的暗物质存在区域。2020 年12 月，在地下实验室建成了世界最强流深地核天体物理加速器，并成功出束。科研团队对“圣杯”反应（在恒星的演化过程中，会产生从碳-12 到氧-16 的反应，它决定了宇宙中的碳氧含量比，直接影响着恒星的演化进程）等进行直接测量，灵敏度、统计精度、曝光量、能量范围均为国际最高水平。今年10 月，我国科研人员验证了钙来源于碳氮氧循环的突破反应这一假说，成功解释了观测到的钙元素的起源问题，强有力地支持了第一代恒星的弱超新星爆模型，并将为詹姆斯·韦布望远镜未来观测提供可靠的数据。此外，我国科研人员还在暗物质年度调制、暗光子、轴子等不同暗物质模型下给出了一系列国际先进成果，保持国际“并跑”。

“打造中国深度、探索未知前沿”

习近平总书记在二十大报告中指出：“加快实施一批具有战略性全局性前瞻性的国家重大科技项目。”

锦屏大设施科学部副主任、清华大学工程物理系副教授的马豪对此深有感触。他指出，借助锦屏地下实验室，过去10 年间，我国科研人员获得了一系列国际一流水平的暗物质研究成果，实现了我国自主暗物质实验研究从无到有、从跟跑到并跑的跨越。2024 年锦屏地下实验室二期建成后，实验室可用空间将由之前的4000 立方米增加至30 万立方米。在未来5 年，暗物质探测器将由目前的10 公斤量级增加至300 公斤量级，将为清华大学开展暗物质和中微子探测实验提供绝佳平台。相信会有更多的国际领先的实验成果不断地从锦屏地下实验室里涌现。

“在世界前沿科技的舞台和先进国家同场竞技，我们将以冲刺的速度跑马拉松。”马豪说，“打造中国深度、探索未知前沿，是我们追梦锦屏的奋斗目标。”