揭秘世界上最深最大的地下實驗室，位於中國，離地面2400米_風聞

文 | 京畿部長

人類對於世界和宇宙的好奇心向來旺盛，對此建立了很多實驗室來發現未知的奧秘。對於實驗室而言大家想必都不陌生，但説起地下實驗室很多人就知之甚少了。由於一些科學實驗需要極為複雜的環境，而地表上又無法滿足這些條件，於是科學家們就把眼光放到了地底，建立了地下實驗室。這些實驗室有各種各樣的研究目的，在如今世界上現存的地下實驗室中，中國的錦屏極深地下暗物質實驗室，是世界上岩石覆蓋最深也是最大的實驗室，而它的主要研究目的，就是找到暗物質。

暗物質

宇宙中有着各種各樣的粒子和能量，它們不同於我們在現實生活中能看到的物質。我們在日常生活中能看見和感覺到的各種物質，有一個共同性就是都攜帶電子，有了電子它們就能夠產生電磁場，而電磁場的相互作用就能夠讓你感知到這些物質的存在。

而與之相反的，有些物質是不帶電子的，沒有電子就缺少了電磁場的相互作用，導致它們很難被看到和感知，但你不能否認他們的存在，比如暗物質。而發現它們，就需要一定的技術條件和手段了。

1915年，愛因斯坦認為宇宙的形狀取決於宇宙質量的多少。也就是説宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5×10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是説，宇宙中的大多數物質“失蹤”了，科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”，其實也不是失蹤，是我們沒有觀測到罷了。

現代科學研究表明，宇宙中暗物質佔全部物質總質量的80%以上。暗物質粒子無處不在，但人體卻無知無覺。也只有最精密的儀器，才可能捕捉到它與原子核碰撞產生的微弱信號。暗物質最重要的一點是，它促成了宇宙結構的形成，可以説如果沒有暗物質就不會形成星系、恆星和行星，也更談不上今天的人類了。

所以研究暗物質意義重大，價值非凡。如果暗物質的研究一旦有所突破，不僅將可能改變人類對於宇宙、天體形成和運動的認識，它還可以衍生和運用到更廣的領域，例如，氣候、能源等諸多世界級生存難題，甚至改變人類對原有的時間和空間的認識，那將是近幾十年以來最為重要的物理學研究成果。

▲在太空中運行的暗物質粒子探測衞星。圖片來源：中國科學院

所以説到底，如果我們不瞭解暗物質的性質，就不能説了解了宇宙，也就不能把握人類的未來。現在已經知道的暗物質是中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的，暗物質中的絕大部分還不清楚。所以還需要進一步去找到和研究暗物質的蹤跡。

挖洞

不同於一般的科學實驗，要找到並觀測暗物質在地表是很難實現的。我們目前能夠直接探測到暗物質的方法，就是讓原子核與暗物質發生碰撞，通過探測碰撞產生的信號，來研究暗物質。

但暗物質的觀測環境很苛刻。在地表，宇宙射線和生活輻射會嚴重干擾到暗物質的探測，即使有時候原子核與暗物質發生有效撞擊，但碰撞產生的信號會因為這些干擾而無法被鑑別到。而在極低輻射的地下，可以最大程度地屏蔽宇宙射線等的影響，讓探測器探測到有效的信號，讓這個方法奏效。於是有志研究暗物質的各國都開始挖洞，建立自己的地下試驗所。

最早建立地下實驗室的國家有美、英、法、意大利、加拿大、日本、印度、俄羅斯，且都取得重大的科研成果。從深度來説，意大利的國家格蘭莎索實驗室建造在地下1400米深處，美國的桑德福研究所位於地下1500米深處。而我國的棉屏山實驗室建設於2010年，位於地下垂直深度2400米，是目前世界上岩石覆蓋最深的實驗室，也是觀測環境最好的地下實驗室。

▲中國錦屏地下實驗室

地下實驗室之所以有效，關鍵就在於岩石層。

評價一個地下實驗室性能的最重要的參數，就是實驗室的宇宙射線通量水平。通常在地面每秒每平方米大約有100多個宇宙射線，海拔越高，宇宙射線越高。而岩石的天然放射性特別低，錦屏實驗室的垂直岩石覆蓋厚度達2400多米，這個深度已經把宇宙射線屏蔽的含量很少了，不僅物理屏障，實驗室還採用了人工屏蔽方法。在這種條件下獲得的關於暗物質研究的數據，可以説是最準確權威的，也讓我國的暗物質研究極具參考價值，走到了世界前列。

▲示意圖

而這個實驗室，不僅有我國的研究人員在工作，不少國外團隊也申請將自己的科研項目整體移到錦屏地下實驗室中。

探測

暗物質探測主要有三種方法，直接探測，間接探測和加速器實驗。

前兩者是探測暗物質對互相碰撞、湮滅時產生的標準模型粒子，後者是利用加速器將標準模型粒子加速到高能量後對撞，通過測量對撞丟失的能量來反推暗物質的各種性質。

▲關於暗物質的電腦模擬圖。該圖演示了不可見暗物質是如何在光環中結合的

錦屏實驗室採用的是直接探測的方法，就是測量暗物質粒子直接碰撞普通物質引起的反衝核的數量和能量。實驗室利用的是重約10千克的極低能量閾高純鍺陣列探測器，開展暗物質直接探測實驗研究，探測質量在1GeV-1000GeV以上較寬質量範圍內的暗物質分佈狀態。目前在10GeV以下暗物質質量空間範圍內，已經得到國際上最好的暗物質探測靈敏度。為我國未來開展“噸”量級大規模暗物質質探測實驗，奠定地下實驗室條件、探測技術、研究隊伍等方面的基礎。

雖然到目前，暗物質還沒有被找到，但它的藏身範圍，已經越來越小了。相信在未來暗物質也會像黑洞一樣被人們拍到，找到，讓我們共同期待這一天的到來。

粒子物理探求的是物質最深層次的奧秘。就像電被髮明時，人們都無法想象後來的電視、電腦一樣，暗物質的研究， 將會推動重大基礎前沿課題的自主研究和應用，全人類都將由此受益。而隨着人們的重視和投入，我想人類距離“暗物質是什麼”這個答案，也不會太遠了。