发布时间:2024-12-06 05:28:29 来源: sp20241206
今年春节是中国锦屏地下实验室二期于2023年12月交付使用后的第一个春节。正逢新春佳节,许多科研工作者仍然驻守于此。
和一般实验室不同,它位于四川省凉山彝族自治州锦屏山内部,2400米埋深下,是世界最深、最大、最“纯净”的极深地下实验室。
“为了探寻暗物质,我们日夜不休。”中国锦屏地下实验室清华大学牵头的CDEX暗物质实验组研究人员景明坤说。
暗物质是什么?
“我们对于宇宙中95%的东西还摸不着头脑,暗物质研究是人类认识和了解宇宙的新出发点。”清华大学工程物理系教授、CDEX暗物质实验组负责人、中国锦屏地下实验室物理科学部主任岳骞解释,暗物质指的是人类肉眼看不到,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。
尽管这道“微光”不知道何时才能出现,但当前,暗物质研究已经成为粒子物理学、宇宙学、天文物理学等学科的前沿课题。
国投集团雅砻江公司项目管理工程师李宏璧解释,辐射在人们生活的环境中无处不在,“如果在日常环境中开展暗物质探测,难度不亚于在人声鼎沸的足球场寻找一根绣花针落地的声音”。想要直接探测到暗物质,十分困难。
一座能阻挡宇宙射线和自然环境辐射的实验室,成为探测暗物质的必要条件。
2008年,雅砻江公司为水电工程而建设的锦屏山隧道贯通。清华大学的科研人员从新闻中了解到,这一隧道长17.5公里,上方被约2400米的大理岩所覆盖,正是他们一直在寻找的绝佳科研场地。双方一拍即合,同意在隧道里共建我国第一座地下实验室。
2010年12月,中国锦屏地下实验室一期建成投运,其室内宇宙射线通量仅为地表的一亿分之一,填补了我国深地实验室的空白。
多年来,在此进行科研的清华大学、上海交通大学、中国原子能科学研究院等科研团队不断突破,取得了多项国际前沿的成果,他们对于空间的需求也越来越大。
2020年,由清华大学作为法人单位,雅砻江公司作为共建单位、基于中国锦屏地下实验室二期建设的“十三五”国家重大科技基础设施项目“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”)项目开工建设,次年更是被列入国家“十四五”规划。
深地条件虽然有利于探索前沿科技,但对工程建设却是不小的挑战。
李宏璧介绍,锦屏山岩体内的地下水量大、渗透性强,各个洞室还分布着许多不规则的渗漏点。岩体自身与岩壁还会渗水,持续析出氡气,“这是一种有较强放射性的气体,会对实验装置造成干扰”。
“防水抑氡”成为施工的大难题。
如今,走入锦屏大设施,11万平方米的洞室表面已经被一层米黄色的特殊材料所覆盖,像是覆上了一层光滑的乳胶,但仍保留了岩壁原先凹凸不平的触感。
“凹凸排水板、土工膜、无纺布、喷涂速凝层……”中建三局锦屏大设施项目总工程师谭雷已经能准确复述实验室“墙壁”所使用到的特殊材料,“就像是在岩壁上铺了一层薄薄的鸡蛋壳”。
“防水抑氡”的目标,被分解为洞壁上的三层结构:防排水层、保护层和装饰层。谭雷介绍,工程完成后,经过测试,围岩释放的氡气,有99%被隔绝在实验空间外。
谭雷表示,“鸡蛋壳”与常规的隧道施工工艺十分不同,他们并没有在洞壁的基础上进行二次衬砌,使得原本可能会达到30-40厘米的结构,减少到了10厘米。
之所以如此设计,是为了尽可能满足实验设备对面积的需要。李宏璧表示,如今,锦屏大设施的实验空间相较于一期宽敞很多,有8个约1000平方米的实验空间,如果采用传统结构施工,面积会小很多。
此外,实验室是一个追求极致“纯净”的特殊环境,项目建设的各种材料,都需要满足低本底辐射的要求,即环境中原本就存在的放射性物质所产生的辐射应处于较低水平。
以施工最常使用到的水泥为例,李宏璧告诉中青报·中青网记者,建设初期,因为没有符合要求的水泥,整个项目停工待料了7个月,“虽然各式各样的水泥都有,但施工前我们测试了市面上能买到的水泥,95%都不符合低本底辐射的要求”。
景明坤的工作台上,摆满了用圆形罐子装着的建筑材料样品,他负责对工程可能使用到的物质进行本底检测,“周围天然的岩石辐射本底已经足够低,因此我们要求,建筑材料至少低于周围岩石辐射本底的三倍值”。
李宏璧介绍,为了让水泥辐射对实验的影响降到最低,雅砻江公司和清华大学与中建三局、水电五局等单位,联合攻关各种技术难题,最终研发出一款符合实验室建设要求的水泥,“花了7个月时间,终于解决了这一问题”。
但这并不是终点。李宏璧说,水泥研发成功后,运送来的每一车水泥成品,还是要经过严苛的检测,只有确保水泥的放射性水平符合要求,才能使用。“合格率相当高,200车水泥中大约会有1车不合格,且大多是运输环节的问题,而不是研发、工艺环节的问题。”
“螺蛳壳里做道场”是这些实验室建设者们最大的感受。
李宏璧算了一个数:在锦屏大设施建设过程中,和水泥一样,对各项指标有着严苛要求的设备和建材,共有141项。
2015年毕业后,景明坤来到锦屏地下实验室。他深知探寻暗物质的不易,由于暗物质与普通物质反应率很低,目前的实验所使用的高纯锗探测器,一直等着暗物质主动来“撞”。“我们像是在‘守株待兔’。”景明坤说。
岳骞教授表示,在十几年的坚持中,尽管他们没有找到暗物质,但正一步步靠近真相。
持续十多年的努力,终有成果。在锦屏地下实验室的科学家们,于《物理评论快报》等物理学顶级期刊累计发表论文120多篇,其中多项物理成果国际领先。
对宇宙的探索,更不止于暗物质。
锦屏地下实验室管理局副总工程师申满斌介绍,锦屏大设施将形成33万立方米的洞室空间,在这里将打造包括暗物质、粒子物理、核天体物理、深地医学、深度岩石力学等在内的多学科交叉的综合研究平台。
未来,越来越多的“追光者”,将在这里拥抱科学的无垠大海。
中青报·中青网见习记者 刘胤衡 记者 王鑫昕 来源:中国青年报 【编辑:付子豪】