鑽石舞台

圖片來源：PandaX-4T

大量觀測證據表明，宇宙中我們熟悉的物質只占全部物質質量的5%，剩下的95%都是我們看不見摸不着的暗物質。根據暗物質建立的ΛCDM模型（ΛCDM Model），更是成了當今宇宙學中的「標準模型」。它能解釋宇宙中大多數問題，但卻有一個關鍵的缺陷：物理學家們從未找到過暗物質。並且，粒子物理的標準模型也存在一些缺陷，比如無法合理解釋希格斯粒子質量為何如此之小，也無法解釋不同費米子間質量的巨大差異等。自20世紀下半葉起，理論物理學家就發展了一些新物理模型，表示如果我們找到了特定的暗物質粒子，那麼宇宙學和粒子物理學上棘手的問題就能同時解決。所以現在很多物理學家的工作就是尋找這種粒子。

尋找暗物質

但暗物質之所以被稱為暗物質，就是因為人類始終沒能發現它。暗物質自然不是那麼好找的，要麼需要像「悟空」暗物質衛星（DAMPE）一樣「上天」，在宇宙中探測暗物質粒子湮滅產生的穩定末態粒子，間接推測暗物質粒子的性質；或者乾脆直接用對撞機把暗物質「撞」出來，但這種方式實在是太貴了。雖然暗物質很難和普通物質相互作用，但如果觀測介質足夠多，我們總歸還是能找到暗物質粒子與觀測介質相互作用的證據的。但如果在地面上進行這樣的實驗，就算真的能引發暗物質粒子的作用，它的信號也只能淹沒在無盡的噪聲中——宇宙射線帶來的干擾太強了。這時，我們就需要乾脆「入地「，用地球隔絕宇宙粒子的干擾，而暗物質粒子不輕易和其他物質相互作用，具有強大的穿透能力，探測器就能直接探測到暗物質了。

不過不是隨便哪裡都滿足科學家「入地」的條件的。直接探測暗物質的探測器對實驗場地的要求非常苛刻，它必須被放置在地表千米以下的深地實驗室中，否則探測精確度會受到非常大的影響。如果實驗室足夠深，但周圍岩石土壤放射性較高，同樣會讓實驗無法進行。此外，成本也非常重要，科研經費畢竟是有限的。這是一個非常矛盾的要求，因為在大多數情況下，開挖深洞是非常昂貴的。為了找到他們的「應許之地」，中國粒子物理學家已經探尋了十幾年。

修水電站送的實驗室

2008年，一條新聞在電視上播出——世界第二深埋隧道：錦屏山隧道貫通，它立即引起了清華大學粒子物理學家岳騫的興趣。這條隧道位於四川雅礱江的錦屏大河灣。雅礱江水能資源豐富，2008年時，雅礱江上規劃的水電站裝機容量就達到了3000萬千瓦以上，相當於1.5個三峽水電站。而錦屏大河灣又幾乎是雅礱江上水能資源最密集的地方，150千米長的U形大彎兩端直線距離僅17公里，水平落差卻高達312米，這對水力發電而言是無法拒絕的誘惑。錦屏一級水電站和錦屏二級水電站就分列在錦屏大河灣的兩端。為了向下游錦屏二級水電站引水發電，工程師決定直接挖穿錦屏山。

最終，在施工團隊艱苦卓絕的努力下，他們終於挖穿了17.5千米左右的引水洞和交通隧道。而這時，曾經給施工團隊帶來難以計數的困難的深度，反而讓粒子物理學家心中燃起了希望。錦屏山隧道垂直岩石覆蓋厚度最厚能達到2.5千米，人類從沒有在這麼深的地方建立過實驗室。並且，以往的深地實驗室大多依託礦井而建，需要依靠電梯進出。如果在錦屏山實驗室中建立深地實驗室，科研團隊可以直接開車進出，而且隧道周圍的配套生活工作設施完善，是國際綜合條件最好的極深地下實驗場所。

就這樣，岳騫和團隊馬上聯繫了負責隧道工程的二灘水電開發有限責任公司（2012年改名為中國雅礱江流域水電開發有限公司）。對實驗室建設地點的岩石取樣分析表明，中國錦屏地下實驗室周圍岩石整體由大理岩構成，其天然放射性雜質含量非常低，適合建造實驗室。2009年5月8日，清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司簽訂協議，共同建立中國錦屏極深地下暗物質實驗室（CJPL）。

成果豐碩

最終，物理學家得到了夢寐以求的實驗室。2010年12月，CJPL正式投入使用。清華大學和上海交通大學分別在這個實驗室中展開了「盤古」（CDEX）和「熊貓」（PandaX）暗物質探測試驗。「盤古」將10千克高純鍺探測器陣列置於1700立方米的大型液氮恆溫器中尋找暗物質粒子。而「熊貓」則用了4噸液氙作為探測器。氙原子和假想中的「弱相互作用重粒子」(weakly interacting massive particles，簡稱WIMPs）質量十分接近，兩者也更容易相互作用。在過去的20年中，氣體液化提純技術飛速發展，也讓科學家有能力建造大型液氙探測器。

近日，我國的「熊貓X「實驗（PandaX-4T）最新實驗結果在《物理評論快報》上公布，再次刷新了人類對WIMP粒子的探測極限，對假想存在的質量為40GeV的WIMP粒子屬性做出了最嚴格的限制，包括它與核子的作用率等。再次幫人類排除了一部分暗物質的候選者。

實驗室給物理實驗帶來的增益讓粒子物理學家非常滿意，CJPL對宇宙線的屏蔽效果較國際上唯一的深地實驗室意大利地下核天體實驗室（LUNA）高出約100倍。從結果上就能看出來——CJPL的二期工程被列入了國家重大科技基礎設施「十三五」規劃。

CJPL的功能也不僅僅是尋找暗物質。中國原子能科學研究院把加速器搬到了這個實驗室里，展開了錦屏深地核天體物理實驗（JUNA）。憑藉CJPL優秀的環境條件，JUNA的測量靈敏度和統計精度均高於國際同類裝置水平，達到國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量範圍和最高靈敏度。12月18日，JUNA發布首批4個核天體物理關鍵反應實驗研究成果。其中¹²C(α, γ)¹⁶O反應測量實現國際最高靈敏度，該反應直接決定了碳和氧在宇宙中的比例，對上至鈾的幾乎所有核素的豐度都有重要的影響，該反應機制複雜，截面極低，實驗測量非常困難，被譽為核天體物理的「聖杯」。

雖然實驗室是修水電站「送」的，但絲毫不影響它成為世界最優秀的深地實驗室。在CJPL二期中還要建設「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」。建成後，物理學家將獲得宇宙線通量小於每平方米每年100個，，地下可利用容積超過30萬立方米，擁有完善的水、電、空調通風等配套設施的完美實驗場所。不管是尋找暗物質，還是研究組成我們身體的元素是如何產生的，未來，CJPL都將帶給我們更多驚喜。