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“中國錦屏地下實驗室”揭牌儀式現場 （攝影 郭海軍）

2008年8月8日，當世人的目光都聚焦于北京奧運會開幕式時，我校工物系副教授岳騫卻被一則不太起眼的消息深深吸引住了：“世界第二深埋隧道———錦屏山交通隧道全線貫通”。

岳騫立刻想到，這可能是我國建設自己的極深地下實驗室的一個契機。很快，他通過朋友找到了修建錦屏山隧道的二灘公司的工作人員，根據從他們那里初步了解到的信息，岳騫意識到，我國一直沒有很好的地下實驗室的情況有可能被改變。

利用錦屏山隧道建設地下實驗室的想法，得到國內粒子物理、天體物理領域同行的積極響應。

校長顧秉林，校黨委書記胡和平，副校長康克軍、程建平等學校領導高度重視這一情況，認為建設我國自己的極深地下實驗室，對于推動相關領域重大基礎性前沿課題的自主研究具有重大意義。校領導先后多次前往錦屏山隧道考察，并與二灘公司進行溝通和探討。2009年5月8日，我校與二灘公司簽訂戰略合作協議，決定在錦屏山隧道建設我國第一個極深地下實驗室。

從去年8月確定實驗室選址，到今年1月完成全部巖石挖掘工作，再到6月完成實驗室配套工程建設，在我校和二灘公司的密切合作與共同努力下，實驗室的建設工作迅速而有條不紊地推進著。12月12日，中國錦屏地下實驗室投入使用儀式在四川雅礱江錦屏水電站隆重舉行，標志著這個世界巖石覆蓋最深的實驗室、也是我國首個極深地下實驗室正式啟用。

為了揭開現代物理學“烏云”之謎

歐洲物理學家在展望20世紀物理學前景時曾說，物理學美麗而晴朗的天空被“兩朵烏云”籠罩了。而對這“兩朵烏云”的探究，使得量子論和相對論被發現，為物理學研究帶來革命性的變革，極大地推進了人類對物質世界的認識。

如今，在21世紀現代物理學的晴朗天空中也有著“兩朵烏云”———暗物質和暗能量。揭開暗物質和暗能量這“兩朵烏云”之謎，將可能導致一場新的物理學革命，促成人類對物質世界和宇宙認識的又一次重大飛躍。

暗物質是指那些基本不發射任何光及電磁輻射的物質，人們目前只能通過引力產生的效應得知它的存在?，F代天文學研究表明：構成宇宙質量的主要成分是暗能量，約占宇宙總質量的73%。但是人類對暗能量基本沒有太多認識，目前也沒有比較成熟的理論加以描述。宇宙其余質量部分則由物質構成，其中發光物質只占宇宙總質量的4%，對于這部分物質，人類已經有了較為廣泛和深入的了解，基本可以由粒子物理學標準模型來描述。而對于占宇宙總質量約23%的暗物質，目前人類的認識還遠遠不夠。

我校副校長、暗物質實驗組負責人康克軍介紹說，由于暗物質粒子與探測器發生相互作用的幾率非常小，因此開展探測實驗時需要將大量的背景信號去掉，才可能測量到真正的暗物質。在這些需要去掉的背景信號中，有很多是由宇宙線引起的，高能量的宇宙線可以穿透地面到達很深的地下。因此，暗物質探測實驗需要將探測器放置在很深的地下實驗室里，利用巨大的山體巖石或地表土壤將宇宙線的通量盡可能降低?？梢哉f，極深地下實驗室是開展暗物質直接探測工作的必要場所。

在國際上，美國、英國、法國、意大利、加拿大、日本等許多國家都已經建立起地下實驗室。正因如此，長期從事暗物質探測研究、卻一直苦于國內沒有很好的地下實驗室的岳騫，才會在看到錦屏山隧道貫通的消息時顯得格外激動。

十年漫漫探尋路

從2000年我校開始參與暗物質研究算起，已經有十年的時間了。這十年間，在國內尋找合適的地下實驗室的努力一直沒有間斷。

沒有地下實驗室，許多相關領域的實驗研究就無法開展。為了繼續暗物質的探測研究，2002年，我校研究人員開始參與到韓國地下實驗室的建設中。這個位于韓國襄陽（Y2L）的地下實驗室建在一座抽水蓄能電站地下廠房附近的隧道中，約有700米深，在地下實驗室中屬于比較淺的，而且實驗室地處荒山野嶺，周圍幾乎沒有人居住，條件非常艱苦。

在這種情況下，我校研究人員一方面協助韓國同行利用碘化銫探測暗物質，另一方面也在2003年提出了利用高純鍺探測暗物質的研究計劃。他們在調研中發現，國際上的暗物質實驗幾乎都集中在高質量區，而理論分析顯示，暗物質的質量分布是非常寬的。研究人員同時發現，探測器的能量閾值不夠低是限制暗物質探測實驗向低能量區發展的主要原因，于是他們制定了利用低能量閾值的探測器測量低質量區間暗物質的研究計劃，這一研究成果于2004年發表在《高能物理與核物理》雜志上。

與此同時，大家也一直沒有放棄在國內尋找適合建設地下實驗室的地點的努力。“河北的峪耳崖金礦，還有北京、東北的一些煤礦，我都打電話去問過。雖然有些礦很深，但條件都太差，沒有穩定的電力、網絡和潔凈的空氣系統等等，這些都使得基本的實驗條件無法得到保障，甚至有些連生活條件都不具備，所以這件事情一直進展很慢。”對此，岳騫深感無奈。

實際上，國內一些相關研究領域的科學家們很早就開始尋找合適的地下實驗室了。因為地下實驗室不僅是開展暗物質研究的重要場所，也是粒子物理學、天體物理學及宇宙學等領域一系列重大基礎性前沿課題的重要研究場所，還是巖體力學、地球結構演化、生態學等學科開展相關實驗研究的重要環境和低放射性材料、環境核輻射污染檢測的良好環境。我校副校長、中國錦屏地下實驗室主任程建平一直非常關注國內地下實驗室的尋找建設情況，他介紹說：“好的地下實驗室，特別是極深地下實驗室可以提供綜合性的重大基礎科學研究平臺，是一個國家關鍵性的重大基礎科學研究設施?！?/p>

經歷了十余年艱苦的探尋，機會終于到來。二灘公司為建設大型水電站而修建的兩條交通隧道全線貫通，隧道全長17.5公里，巖石覆蓋厚度大于1500米的部分超過70%，其中垂直巖石覆蓋最深的地方達2400米，這是非常理想的極深地下實驗室建設場所。

清華精神 二灘速度

2009年2月新學期開學的第一天，程建平帶領我校研究人員前往四川，開始就建設地下實驗室的事宜與二灘公司協商。當了解到想在錦屏山隧道建設實驗室并從事研究工作的是清華工物系的老師們，二灘公司方面的第一反應就是 “這是做核實驗，不僅可能耽誤水電站建設工期，而且可能存在危險的輻射和涉及國家安全問題，很困難”。

在進一步的接觸和溝通中，學校方面詳細地向二灘公司解釋了暗物質探測研究的基礎前沿屬性和重大意義，消除了他們的誤解和疑慮，建設地下實驗室的想法得到二灘公司的高度重視和大力支持。

長期以來，我國高校和企業的科研合作多集中在可以產生現實經濟效益的應用研究領域，而基礎研究領域普遍存在著資金短缺的現象。程建平強調：“以國家現階段的國力和財力，不可能投入那么大的資金到基礎研究領域，在這種情況下，企業、社會等各方面如果能夠對基礎研究有所支持的話，將對我國基礎研究的發展起到很大的推動作用。二灘公司與清華的合作，開創了企業支持高校開展基礎研究的新模式?！?/p>

在雙方領導的高度重視下，實驗室建設工作迅速推進。2009年8月，實驗室地址確定。地質構造和巖石取樣分析結果表明，所選地點周圍巖石整體由大理巖構成，其天然放射性雜質含量非常低，一些主要巖石放射性核素含量低于北京地表正常環境水平的約幾十分之一到幾百分之一，是一個非常好的實驗環境。

為了不影響整體工期，在二灘公司的協助下，所有參與實驗室挖掘工作的施工人員都加班加點，終于在今年1月完成了全部的巖石挖掘工作。6月，所有實驗室配套工程完工并通過評審和驗收，標志著中國錦屏地下實驗室正式建成。相比之下，美國在2008年決定投資6億多美元建設深達2300米的杜賽爾（DUSEL）地下實驗室，預計在2018年才能建成。我校與二灘公司以實干的精神、密切的配合和高效的工作，在如此短的時間內完成地下實驗室的建設，創造了 “清華精神、二灘速度”的奇跡。

建成的地下實驗室位于錦屏交通隧道中部，空間容積約4000立方米，包括入口隧道、連接隧道和主實驗廳三部分，其中主實驗廳長約40米，寬約6.5米，高度為7.5米。主實驗廳恒溫恒濕，達到10萬級空氣凈化要求，分為暗物質探測實驗區、低本底測量實驗區、電子學與信號系統工作區。

同時，在位于隧道東端出口的監控樓里，還有一個洞口實驗室用于實驗數據存儲、通訊，實驗設備維護，實驗材料準備與實驗人員居住等。洞口實驗室采用專用的光纖網絡與地下實驗室相聯，采集并存貯地下實驗室各類設備信號數據，同時通過視頻系統監控地下實驗室內的各項實驗活動。平時，實驗人員可以在洞口實驗室工作和生活，在調試實驗設備時下到地下實驗室中。而在洞口實驗室與我校工物系的遠程數據中心之間，通過電信專線建立了數據通訊網絡，可以記錄、存貯和管理實驗數據，并按照實驗合作研究的要求與國內外合作單位共享實驗數據。

評價地下實驗室性能的最重要參數就是宇宙線通量水平。根據初步模擬和測量，中國錦屏地下實驗室的宇宙線通量約為每年每平方米小于100個宇宙線的水平，約為地面水平的億分之一，是非?！案蓛簟钡膶嶒灜h境。此外，實驗室可以開車直達，比在礦井中建設的地下實驗室交通更為便捷，錦屏隧道周圍的配套工作生活設施完善，這些因素使得中國錦屏地下實驗室可以稱得上是國際上綜合條件最好的極深地下實驗場所。

推動重大基礎前沿課題的自主研究

如今，由我校副校長康克軍擔任首席科學家，清華大學、四川大學、中國原子能科學研究院、南開大學和二灘水電開發有限責任公司等單位參與的中國暗物質實驗合作組已將一組高純鍺探測器安裝在中國錦屏地下實驗室中，并啟動10kg高純鍺陣列探測器開展暗物質實驗的研究計劃。中國暗物質實驗合作組采用的高純鍺探測器由純度高達99.9999999999%（簡稱12個9）的高純鍺晶體制成，是目前人類可以得到的純度最高的晶體材料，預期首先在較低質量區間得到國際一流的暗物質實驗結果，并為開展未來噸量級高純鍺測量暗物質實驗奠定技術基礎。

與此同時，中國暗物質實驗合作組還開展了高純鍺探測器的自主研制計劃，自主研制高純鍺探測器可以大幅降低高純鍺探測器的制造成本，有利于開展自主噸量級暗物質實驗研究并推動我國先進半導體探測器的研制。康克軍強調：“開展高純鍺探測器的自主創新研究可以提升我國高端產業競爭力，也能夠促進暗物質等重大基礎前沿科學研究。”

地下實驗室作為低宇宙線強度、低輻射本底的特殊環境，還可以建設超低本底放射性核素活度的測量平臺，為我國的核輻射防護、國土海洋放射性水平普查、超純材料研制等方面的應用提供基礎性測試平臺。

除此之外，中國錦屏地下實驗室還可以開展宇宙線通量、環境本底、地質結構等方面的深入研究，為我國未來建設國家級的大型極深地下科學與工程實驗室奠定堅實的工作基礎。

綜合來看，地下實驗室是一個國家關鍵性的重大基礎科學研究設施，為國家提供綜合性的重大基礎科學和應用科學研究平臺。中國錦屏地下實驗室的建成啟用，標志著我國已經具備開展物理學重大基礎前沿科學研究的自主地下實驗平臺，對于推動我國重大基礎前沿課題的自主研究意義重大。

來源：新清華