我國首個，世界最深！中國錦屏地下實驗室向更深邃的宇宙奧秘「進軍」

科技日報記者 盛利

7月20日，首個由清華大學作為獨立法人單位承擔的國家重大科技基礎設施——「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」啟動儀式在四川省雅礱江錦屏山隧道舉行，標誌著由清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司共同建設的中國首個、世界最深的極深地下實驗室——「中國錦屏地下實驗室」進入加快建設新階段。

中國錦屏地下實驗室所在錦屏山隧道入口

極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施是「十三五」時期國家優先安排建設的重大科技基礎設施。國家發展改革委牽頭建設管理，教育部和四川省人民政府共同主管，法人單位是清華大學，共建單位為雅礱江流域水電開發有限公司。

這既是四川承擔國家戰略的一份重大責任，也是四川加快創新驅動發展進程中的一件大事。

項目建成後將成為國家重要的創新平台，為建設國際領先水平的極深地下研究中心、科學考察和科普教育基地奠定堅實基礎，將進一步夯實我國科技基礎、推動科技進步，提升自主創新能力和國際影響力，為經濟社會高質量發展提供有力支撐。

CJPL二期B2實驗廳現狀

圖13 CJPL二期C1實驗室擴挖基坑效果圖

按照工程目標，該項目將利用錦屏地下實驗室二期的空間條件，建成世界上最深、宇宙線通量最小、可用空間最大、綜合條件齊全的地下實驗室，其中宇宙線通量小於每年每平方米100個，容積大於30萬立方米。

建成大型液氮低溫輻射屏蔽裝置、大型常溫純凈水輻射屏蔽裝置、極低輻射本底測量與分析裝置（最小可探測活度約10微貝克每公斤），具備全面支撐我國暗物質直接探測、無中微子雙貝塔衰變實驗和地下核天體物理實驗等前沿物理實驗研究的能力。

探索暗物質：

有望成為世界深地物理實驗中心

在宇宙學中，暗物質是指那些不發射任何光及電磁輻射的物質。現代天文學通過引力透鏡、宇宙中大尺度結構形成、微波背景輻射等研究表明，我們所認知的部分大概只佔宇宙的4%，暗物質佔了宇宙的23%，還有73%是一種導致宇宙加速膨脹的暗能量。

2009年，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司（原二灘水電開發有限責任公司）合作，在錦屏山隧道中間位置的地下2400米處修建極深地下實驗室。

2010年底，「中國錦屏地下實驗室」建成投入使用，成為我國首個、全球最深的地下實驗室。2014年，清華大學與雅礱江流域水電開發有限公司簽署協議，共同建設「中國錦屏地下實驗室」二期工程，將地下可用實驗空間由原來的4000立方米增加到30萬立方米。

「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」項目面向超越當前粒子物理標準模型的新粒子和新物理的重大基礎前沿研究，開展暗物質直接探測實驗、無中微子雙貝塔衰變實驗，以及核天體物理領域關鍵核素合成過程和恆星演化等基礎科學前沿研究，探究極深地下近零宇宙射線本底條件下各類基礎前沿領域探測新機理、新方法、新技術，發展極低輻射本底屏蔽新方法與新技術，為我國粒子物理和核物理領域的重大基礎前沿物理問題研究提供平台支撐。

CJPL二期C1實驗室現狀及基坑俯瞰圖

項目建設完成後將具備國際領先的深地物理實驗綜合條件，有望成為世界深地物理實驗的中心，推動我國開展國際級大科學合作，吸引國內外頂尖學者前往開展前沿物理實驗，為取得重大物理突破提供基礎設施保障。

同時，該項目將提供一個近零宇宙線本底的地下輻射計量平台，可以解決極弱放射性基準測量和低劑量率刻度的難題，為我國建設完善的輻射計量基準提供實施條件，推動海洋科學、材料科學、環境科學、生物學等交叉領域的研究，為這些學科領域提供一個國際一流的極低本底交叉創新平台。

「再出發」：

5年內將建設多個實驗平台

現代物理學的重大突破常常需要極端實驗條件，極深地下實驗室就是開展粒子物理與核物理、天體物理學及宇宙學等領域重大基礎前沿物理實驗研究的重要設施。

與國際上其他的地下實驗室相比，中國錦屏地下實驗室岩石覆蓋最深、宇宙線通量最小、可用空間最大，並且具備交通便捷、電力及水源充足、基礎設施完備等優勢。

2016年，項目進入國家重大科技基礎設施十三五規劃以來，國家發展改革委從統籌協調、資金安排等方面給予大力支持，將項目納入首批簡化審批試點並在去年12月正式批複；教育部精心指導、合力推進。四川省委省政府高度重視，省委書記彭清華、省長尹力多次作出重要指示，省直相關部門和地方各級黨委政府全力做好協調服務。項目承擔單位清華大學和雅礱江流域水電開發有限公司大膽探索、協同攻關，按照國家要求務實推動項目前期工作。在各方的共同支持與努力下，該項目正式進入加快建設新階段。

記者查閱到，按照批複該項目的主要建設內容為：建設地下實驗室綜合運行維護支持平台，主要建設地下實驗支撐系統、地下安全保障系統、地下工作條件支持系統、地下實驗室管理信息系統等。建設極深地下極低輻射本底輻射屏蔽平台，主要建設大型液氮低溫屏蔽裝置、大型常溫純凈水屏蔽裝置、組合式固體輻射屏蔽裝置等。建設極深地下極低本底分析測試平台，主要建設微貝克每公斤量級輻射本底測量與分析裝置、地下放射性測量分析系統、地下極低放射性材料製備與測試系統等。建設地上輔助實驗平台，主要建設地面實驗室、運維管理中心、數據儲存與材料轉運系統等。

按照規劃，「極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設施」項目建設期為5年。

「跟跑」變「並跑」

我國暗物質直接探測「飛躍」

自中國錦屏地下實驗室一期建成投入使用以來，已經開展了清華大學領導的高純鍺直接探測合作組（CDEX）、上海交通大學領導的液氙直接探測合作組（PandaX）等暗物質直接探測實驗，及清華大學主持的錦屏中微子實驗等，取得了一系列研究成果。在較短的時間內使我國暗物質直接探測實驗從無到有，研究水平達到國際先進，由「跟跑」變成「並跑」。

2013年，清華大學領導的CDEX合作組在國際上發表了中國第一個自主暗物質研究成果，研究水平達到國際第一陣營。2014年，合作組又獲得了10GeV以下能區里同類探測器最靈敏的實驗結果，確定性地排除了美國CoGeNT實驗組多年來宣稱的暗物質存在區域。2018年CDEX合作組發表了4-5GeV能量區間當時國際最好的暗物質探測靈敏度實驗結果。

如今，CDEX合作組的有效實驗數據積累已超過4年，開展了年度調製、暗物質軸子、暗光子等多個通道物理分析，不僅在暗物質研究方面取得了國際先進水平的成果，還在高純鍺探測器自主研製、自主低溫低本底前端電子學研製等核心技術方面取得重要突破。

2018年，CDEX合作組自主研製的世界第一個低閾值低本底的配置金屬氧化物集成電路前放的點電極高純鍺探測器（ASIC-PPCGe），能量解析度達到商業探測器水平，而且測量到了低能區Ge-68宇生X射線，展現了低本底測量能力。

清華大學工程物理系輻射物理與探測技術研究室主任李玉蘭博士介紹實驗室建設情況

未來，合作組將建設100公斤至噸量級的鍺-76同位素丰度達85%以上的富集高純鍺陣列探測器系統，將探測靈敏度再提升兩到三個量級，可以同時測量暗物質和無中微子雙貝塔衰變兩個重大前沿科學問題研究。

在國際合作方面，CDEX合作組參與了由中國、美國、歐洲等地區的40多所大學和研究機構的數百位科學家組成LEGEND合作組工作，獨立提出並推動了基於LEGEND框架的噸量級高純鍺無中微子雙貝塔衰變實驗方案。

央視2017年底錦屏暗物質實驗紀錄片

來源：科技日報 文中圖片由錦屏地下實驗室提供及網路

編輯：劉義陽

審核：管晶晶

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