地下2400米寻微探秘：重返投运一年的世界最深、最大地下实验室

从四川省凉山彝族自治州首府西昌市出发，窗外的景色从城市灯火逐渐变为茂密的森林和连绵起伏的山峦。蜿蜒曲折的公路渐渐隐没在大山深处，雅砻江的波涛在耳边作响。在山路上行驶约两个小时后，车子驶进了长17.5公里的锦屏山隧道，并最终到达了此行的目的地，世界最深、最大的极深地下实验室——中国锦屏地下实验室。

这个位于锦屏山隧道中部的实验室，深藏于山体覆盖厚达2400米的“极深地下”，这里宇宙线通量只有地面的一亿分之一，是全世界最“纯净”的深地实验室。

2023年12月，来自清华大学等高校和科研院所的10个实验项目组，入驻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”），这一大国重器正式投入科学运行。“纯净”的实验环境、便捷的交通、完备的基础设施，为开展暗物质探测等基础科学研究提供了近乎绝对“安静”的实验条件，“聆听”来自宇宙的微声。

进军深地 追寻“幽灵”

所谓暗物质，是指人类肉眼看不到，且使用天文望远镜和电磁学手段观测都无法捕捉到的物质。它和暗能量一起，被科学家们比作“笼罩在21世纪物理学天空中的两朵乌云”。暗物质研究是当前粒子物理学、宇宙学、天文物理学等学科前沿领域的研究课题，更是突破认知边界、打开人类视野的开拓性研究。

然而，暗物质与普通物质发生作用的几率极低，直接探测到它十分困难，再加上无处不在的宇宙射线会极大干扰探测工作，“难度就像在嘈杂的足球场寻找一根针掉落的声音（暗物质碰撞信号）。”国投集团雅砻江公司锦屏地下实验室管理局副局长申满斌说。因此，一座能阻挡宇宙射线、实验环境辐射本底低的“纯净”实验室成为探测暗物质的先决条件。

此前，美国、日本和欧洲等国都建设了符合一定条件的地下实验室。早在2002年，清华大学就启动了暗物质研究。由于当时国内没有实验条件，研究团队只能远赴韩国“借用”实验室进行实验。

2010年12月，锦屏地下实验室一期的建成，填补了我国深地实验室的空白。2023年12月，在此基础上扩建而成的锦屏大设施，成为世界上条件最好的深地实验室。与国际其他深地实验室相比，锦屏地下实验室岩石覆盖最深、可用空间最大，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，为开展暗物质探测提供了绝佳的实验环境。

值得一提的是，与加拿大SNO实验室、美国Dusel实验室等矿井型深地实验室相比，锦屏地下实验室依托锦屏水电站的交通隧洞而建，科研人员可自如乘车出入，大型科研设备也能轻松运输。

极佳的实验条件催生大量研究成果。大量高水平论文发表，其中多篇发表于《Nature》，一项成果获教育部2022年自然科学一等奖，培养6名“国家杰出青年科学基金获得者”。我国暗物质研究实现了从“跟跑”到“并跑”的跨越，并逐步“交替领跑”世界暗物质探测。

2021年初，中国原子能院在三个多月的时间内，完成锦屏深地核天体物理第一阶段实验，研究成果在2021年院士大会上，被列为“战略高技术领域取得新跨越”成果之一。我国成为世界上第三个具备开展深地核天体物理研究的国家。

“我们对宇宙中95%的东西还摸不着头脑，这种好奇心会驱使我们去了解未知领域，认识未知世界。”清华大学CDEX实验团队负责人岳骞说。在锦屏，十多年来，为了不知何时才能闪现的一道“微光”，科学家们不舍昼夜地用已知5%的眼界，去探寻95%的未知。

焕然一新 蓄力前行

时隔一年再次来到锦屏山隧道，冬日自然风物并无太大差别；但走进实验室连接隧道内，记者发现，与刚投运时相比，如今的锦屏地下实验室面貌焕然一新。“实验室已经升级成‘精装修’了。”锦屏地下实验室主任、北京师范大学党委书记程建平形象地比喻道。

虽然身处锦屏山地下2400米处，但记者的体感与地面上并无差别，没有任何压抑、闭塞的不适感。一进入实验大厅，锃亮崭新的风、水、电等公用设备映入眼帘，排列有序的管道上跃动着金属光泽。如今，“地下工作者们”已不需要像建设期间那样佩戴厚厚的防尘口罩，可以放心“自由呼吸”。这要归功于长度超9公里的新风系统，每小时可送新风45000m3，使整个实验室空间保持空气清新。

“智慧基建”有着更多细节：往来各实验大厅的电动摆渡车，既绿色节能，也能有效降低燃油尾气带来的本底辐射；连接隧道内还设置了多个充满科技感的模块化智能卫生间，“在地面上搭建卫生间再寻常不过，但在地下有限空间却难度倍增。”申满斌说，这种智能卫生间可智能化解决废气、污水和污物的回收难题，且移动方便灵活。

走进实验大厅记者看到，一批具备国际领先水平的实验探测器在加紧安装调试。清华大学CDEX实验组正在进行液氮恒温器预冷罐装工作，施工单位同步进行实验室工艺设备安装，以及聚乙烯屏蔽舱最后的设备调试工作，不久后，更大的高纯锗探测器将被用于实验。锦屏百吨级太阳中微子观测站的探测器建设工作正全面展开。深地量子仪器实验也启动了预研。

扎根“地心” 硕果盈枝

锦屏大设施投入科学运行的一年，是不折不扣的“突破年”，全年累计发表高水平科研成果30余项。实验室在首批10个实验项目入驻的基础上，新增超导量子计算实验项目，进一步扩大了锦屏科研大团队，目前已有暗物质、中微子、核天体物理、岩石力学、引力波、深地医学、量子计算等前沿基础科学研究正在开展。

14米宽、14米高、65米长的A1厅，宛如一座四通八达的地铁站，距离破解天体演化密码最近的地方——锦屏深地核天体物理实验（简称JUNA）就坐落于此。

“如果宇宙是一口大锅，里面不断地烹调着各种物质，今天的世界就是烹调的结果。核天体物理，就是在地球上模拟这口大锅、构建迷你宇宙，JUNA就是一种尝试。”中国原子能科学研究院研究员、JUNA首席科学家柳卫平解释，JUNA要做的，就是通过模拟宇宙的思路，利用我国自主研制的世界上束流强度最大的深地加速器，用一个原子核去撞击另一个原子核，然后生成一个新的原子核，去测量这个过程中反应产生的不同元素。

JUNA的实验同样需要排除宇宙射线干扰。“实验最忙的时候，一个月都没见到太阳。”JUNA助理研究员南巍笑着说，当时为了加紧获得实验结果，常常是白天在地下实验室工作，再回到地面只能看到月挂中天、点点繁星。但正是这种不分昼夜向更深探索的科学精神，让科研团队在驻扎锦屏的短时间内就取得了诸多科研硕果。

2021年，锦屏大设施建设期间，中国原子能科学研究院和中科院近代物理所在这里建成世界最强流深地核天体物理加速器并成功出束，助力探索恒星能量来源和元素产生的奥秘，其测量灵敏度、统计精度、曝光量、能量范围均为国际最高水平，标志着我国深地核天体研究步入国际先进行列。

今年10月28日，JUNA平台完成升级。“我们对束流能量、探测器效率、实验靶装置等进行了升级改造，这有助于进一步提升我国的核天体物理实验能力和国际竞争力。”南巍说。

锦屏大设施建设正酣时，上海交大实验团队就同步在施工现场的“裸洞”里实验；如今，在上海交大PandaX暗物质实验室所在的B2厅，灵敏度更高的液氙暗物质探测器已经投入使用，将让实验组在国际竞争中占据优势。“现阶段液氙探测暗物质是国际竞争性项目，各国都在发力，我们要分秒必争采集数据。”国投集团雅砻江公司与上海交通大学联合博士后李帅杰紧盯着电脑上出现的一组组数据。

今年4月，在物理评论快报（Physical Review Letter）上海交大PandaX合作组发表搜寻氙-134双贝塔衰变的世界最好结果。11月，国际顶级学术期刊物理评论快报（Physical Review Letter）刊登了PandaX实验对太阳硼-8中微子的首个测量结果，这是国际首次较高置信度的观测，开启了液氙暗物质和中微子探测实验的新篇章。

锦屏地下实验室的定位，是综合性重大基础科学研究平台，也是开放共享的大科学装置，为科学研究提供了更多可能性。

四川大学华西医院聚焦深地原位生命观测、极低本底辐射环境细胞感知识别、抗衰老及肿瘤治疗策略等医学前沿实验研究。深地医学团队入驻锦屏地下实验室，“观测”来自地球内部的“生命脉动”。2022年，科研人员把人类肿瘤细胞放在地下2400米进行“培养”，一个月后，肿瘤细胞出现了增殖减缓、迁移能力减弱和细胞周期阻滞等现象，这对于肿瘤治疗是一个好消息。

精益高效 护航科研

实验室的安全稳定运行，离不开日夜守护的保障与支持。作为共建单位，国投集团雅砻江公司专门成立了锦屏地下实验室管理局负责实验室的建设管理、运行维护和科研保障工作。

“2024年实验室持续抓实‘清单制+责任制’落实和双重预防机制建设，筑牢实验室安全运行屏障，我们成功实现了实验室封闭运行管理，全力保障实验室本底及洁净度要求，坚持打造最高标准实验室管理体系，保障科学实验安全高效推进，助力建设世界一流深地科研平台。”申满斌说。

一年来，实验室推进了清华大学1725m3液氮恒温器液氮灌装，完成超导量子计算实验项目装置安装，完成微推力测量实验平台搭建，助力原子能院JUNA项目团队完成实验升级……

为避免长期在地下工作的人出现心理压抑，实验室特别邀请清华美院，将实验室环境打造成暖色系。在地面，锦屏地下实验室管理局为科研团队配置了设施设备齐全的公寓、食堂、健身房、书屋、会议室等，吃、住、行全方位保障，让科研人员舒心、放心地潜心实验。

2024年，第三届地下和空间粒子物理与宇宙物理前沿问题研讨会、第十七届物质起源与星系演化国际研讨会等大型学术会议在四川召开。先后有300多名国内外科研人员赴锦屏实验室调研，对锦屏大设施啧啧称奇。“我们怀着积极的态度拥抱世界，今后将定期召开深地前沿科学领域的研讨会，吸引全世界更多科学家关注中国，来到锦屏。”程建平说，下一步，计划以锦屏地下实验室为平台，提出“锦屏深地中微子和暗物质研究”国际大科学计划。

记者离开实验室时，实验大厅内依旧灯火通明，科研人员们还在坚守岗位、潜心钻研。

“追光”之路，注定道阻且长。锦屏地下实验室作为“国之重器”，正逐步打造成为牵引科技创新的大科学装置。以锦屏为起点，科研工作者将继续仰望太空，拥抱浩瀚星海，为人类未来打开更加广袤的空间。

文/薛晨 周以航

供图/视觉中国

编辑/倪家宁