在地下2400米探尋宇宙極致
今年春節(jié)是中國錦屏地下實驗室二期于2023年12月交付使用后的第一個春節(jié)。正逢新春佳節(jié),許多科研工作者仍然駐守于此。
和一般實驗室不同,它位于四川省涼山彝族自治州錦屏山內(nèi)部,2400米埋深下,是世界最深、最大、最“純凈”的極深地下實驗室。
“為了探尋暗物質(zhì),我們?nèi)找共恍??!敝袊\屏地下實驗室清華大學牽頭的CDEX暗物質(zhì)實驗組研究人員景明坤說。
暗物質(zhì)是什么?
“我們對于宇宙中95%的東西還摸不著頭腦,暗物質(zhì)研究是人類認識和了解宇宙的新出發(fā)點?!鼻迦A大學工程物理系教授、CDEX暗物質(zhì)實驗組負責人、中國錦屏地下實驗室物理科學部主任岳騫解釋,暗物質(zhì)指的是人類肉眼看不到,且使用天文望遠鏡和電磁學手段觀測都無法捕捉到的物質(zhì)。
盡管這道“微光”不知道何時才能出現(xiàn),但當前,暗物質(zhì)研究已經(jīng)成為粒子物理學、宇宙學、天文物理學等學科的前沿課題。
國投集團雅礱江公司項目管理工程師李宏璧解釋,輻射在人們生活的環(huán)境中無處不在,“如果在日常環(huán)境中開展暗物質(zhì)探測,難度不亞于在人聲鼎沸的足球場尋找一根繡花針落地的聲音”。想要直接探測到暗物質(zhì),十分困難。
一座能阻擋宇宙射線和自然環(huán)境輻射的實驗室,成為探測暗物質(zhì)的必要條件。
2008年,雅礱江公司為水電工程而建設的錦屏山隧道貫通。清華大學的科研人員從新聞中了解到,這一隧道長17.5公里,上方被約2400米的大理巖所覆蓋,正是他們一直在尋找的絕佳科研場地。雙方一拍即合,同意在隧道里共建我國第一座地下實驗室。
2010年12月,中國錦屏地下實驗室一期建成投運,其室內(nèi)宇宙射線通量僅為地表的一億分之一,填補了我國深地實驗室的空白。
多年來,在此進行科研的清華大學、上海交通大學、中國原子能科學研究院等科研團隊不斷突破,取得了多項國際前沿的成果,他們對于空間的需求也越來越大。
2020年,由清華大學作為法人單位,雅礱江公司作為共建單位、基于中國錦屏地下實驗室二期建設的“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設施項目“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施”(以下簡稱“錦屏大設施”)項目開工建設,次年更是被列入國家“十四五”規(guī)劃。
深地條件雖然有利于探索前沿科技,但對工程建設卻是不小的挑戰(zhàn)。
李宏璧介紹,錦屏山巖體內(nèi)的地下水量大、滲透性強,各個洞室還分布著許多不規(guī)則的滲漏點。巖體自身與巖壁還會滲水,持續(xù)析出氡氣,“這是一種有較強放射性的氣體,會對實驗裝置造成干擾”。
“防水抑氡”成為施工的大難題。
如今,走入錦屏大設施,11萬平方米的洞室表面已經(jīng)被一層米黃色的特殊材料所覆蓋,像是覆上了一層光滑的乳膠,但仍保留了巖壁原先凹凸不平的觸感。
“凹凸排水板、土工膜、無紡布、噴涂速凝層……”中建三局錦屏大設施項目總工程師譚雷已經(jīng)能準確復述實驗室“墻壁”所使用到的特殊材料,“就像是在巖壁上鋪了一層薄薄的雞蛋殼”。
“防水抑氡”的目標,被分解為洞壁上的三層結(jié)構(gòu):防排水層、保護層和裝飾層。譚雷介紹,工程完成后,經(jīng)過測試,圍巖釋放的氡氣,有99%被隔絕在實驗空間外。
譚雷表示,“雞蛋殼”與常規(guī)的隧道施工工藝十分不同,他們并沒有在洞壁的基礎(chǔ)上進行二次襯砌,使得原本可能會達到30-40厘米的結(jié)構(gòu),減少到了10厘米。
之所以如此設計,是為了盡可能滿足實驗設備對面積的需要。李宏璧表示,如今,錦屏大設施的實驗空間相較于一期寬敞很多,有8個約1000平方米的實驗空間,如果采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工,面積會小很多。
此外,實驗室是一個追求極致“純凈”的特殊環(huán)境,項目建設的各種材料,都需要滿足低本底輻射的要求,即環(huán)境中原本就存在的放射性物質(zhì)所產(chǎn)生的輻射應處于較低水平。
以施工最常使用到的水泥為例,李宏璧告訴中青報·中青網(wǎng)記者,建設初期,因為沒有符合要求的水泥,整個項目停工待料了7個月,“雖然各式各樣的水泥都有,但施工前我們測試了市面上能買到的水泥,95%都不符合低本底輻射的要求”。
景明坤的工作臺上,擺滿了用圓形罐子裝著的建筑材料樣品,他負責對工程可能使用到的物質(zhì)進行本底檢測,“周圍天然的巖石輻射本底已經(jīng)足夠低,因此我們要求,建筑材料至少低于周圍巖石輻射本底的三倍值”。
李宏璧介紹,為了讓水泥輻射對實驗的影響降到最低,雅礱江公司和清華大學與中建三局、水電五局等單位,聯(lián)合攻關(guān)各種技術(shù)難題,最終研發(fā)出一款符合實驗室建設要求的水泥,“花了7個月時間,終于解決了這一問題”。
但這并不是終點。李宏璧說,水泥研發(fā)成功后,運送來的每一車水泥成品,還是要經(jīng)過嚴苛的檢測,只有確保水泥的放射性水平符合要求,才能使用?!昂细衤氏喈敻?,200車水泥中大約會有1車不合格,且大多是運輸環(huán)節(jié)的問題,而不是研發(fā)、工藝環(huán)節(jié)的問題?!?/p>
“螺螄殼里做道場”是這些實驗室建設者們最大的感受。
李宏璧算了一個數(shù):在錦屏大設施建設過程中,和水泥一樣,對各項指標有著嚴苛要求的設備和建材,共有141項。
2015年畢業(yè)后,景明坤來到錦屏地下實驗室。他深知探尋暗物質(zhì)的不易,由于暗物質(zhì)與普通物質(zhì)反應率很低,目前的實驗所使用的高純鍺探測器,一直等著暗物質(zhì)主動來“撞”。“我們像是在‘守株待兔’。”景明坤說。
岳騫教授表示,在十幾年的堅持中,盡管他們沒有找到暗物質(zhì),但正一步步靠近真相。
持續(xù)十多年的努力,終有成果。在錦屏地下實驗室的科學家們,于《物理評論快報》等物理學頂級期刊累計發(fā)表論文120多篇,其中多項物理成果國際領(lǐng)先。
對宇宙的探索,更不止于暗物質(zhì)。
錦屏地下實驗室管理局副總工程師申滿斌介紹,錦屏大設施將形成33萬立方米的洞室空間,在這里將打造包括暗物質(zhì)、粒子物理、核天體物理、深地醫(yī)學、深度巖石力學等在內(nèi)的多學科交叉的綜合研究平臺。
未來,越來越多的“追光者”,將在這里擁抱科學的無垠大海。
中青報·中青網(wǎng)見習記者 劉胤衡 記者 王鑫昕 來源:中國青年報
版權(quán)聲明:凡注明“來源:中國西藏網(wǎng)”或“中國西藏網(wǎng)文”的所有作品,版權(quán)歸高原(北京)文化傳播有限公司。任何媒體轉(zhuǎn)載、摘編、引用,須注明來源中國西藏網(wǎng)和署著作者名,否則將追究相關(guān)法律責任。