“我們生活在一個(gè)暗物質(zhì)海洋中，但我們對它可能是什么知之甚少?！?/span>
這種占宇宙質(zhì)量80%以上的神秘物質(zhì)讓宇宙學(xué)家興奮難耐、神往不已，“它們可能比我們?nèi)祟愊胂蟮母由衿??！?/p>
在四川涼山彝族自治州，垂直巖石覆蓋厚度2400米的地下，我國科學(xué)家正在時(shí)刻尋找這束宇宙中最“弱”的光——暗物質(zhì)。一種“看不見”，但又無處不在，在宇宙的形成和演化過程中發(fā)揮著極其重要作用的物質(zhì)。
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，作為“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是國內(nèi)第一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，也是國際上第一次大規(guī)模建設(shè)具有極低輻射本底極端條件的前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施。
世界最深，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室可以開車直入，綜合條件世界一流，為我國開展自主暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)研究及其它低本底實(shí)驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ)，將極大推動(dòng)我國粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)、宇宙學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿課題的開展，對于加快創(chuàng)新型國家建設(shè)、世界科技強(qiáng)國建設(shè)意義重大，備受各方關(guān)注。
國際著名的《科學(xué)》（Science）, 《今日物理》（Physics Today）雜志也對中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)給予了高度關(guān)注和報(bào)道。
文丨李亞飛 瞭望智庫觀察員
本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章，如需轉(zhuǎn)載請?jiān)谖那白⒚鱽碓床t望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任。
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中國首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室
地下實(shí)驗(yàn)室尤其是極深地下實(shí)驗(yàn)室，是開展粒子物理與核物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域的暗物質(zhì)探測研究、中微子物理實(shí)驗(yàn)研究等一些重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場所，是巖體力學(xué)、地球結(jié)構(gòu)演化、生態(tài)學(xué)等學(xué)科開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的重要環(huán)境，也是低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測的良好環(huán)境。
地下實(shí)驗(yàn)室為國家提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究平臺，是一個(gè)國家關(guān)鍵性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)施，建設(shè)和發(fā)展極深地下實(shí)驗(yàn)室具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
美國、英國、法國、意大利、加拿大、日本等許多國家都已經(jīng)建立起地下實(shí)驗(yàn)室。中國此前一直沒有很好的地下實(shí)驗(yàn)室，特別是極深地下實(shí)驗(yàn)室，許多相關(guān)領(lǐng)域的研究工作無法開展或只能與國外有條件的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展。
地下實(shí)驗(yàn)室主要是用來屏蔽高能宇宙線對于暗物質(zhì)、雙貝塔衰變以及中微子實(shí)驗(yàn)的本底影響。
評價(jià)一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室性能的最重要的參數(shù)之一就是宇宙線通量水平。
2009年５月，清華大學(xué)與二灘公司（2012年改名為中國雅礱江流域水電開發(fā)有限公司）簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，決定利用錦屏山隧道垂直巖石覆蓋厚度大，圍巖放射性含量極低，能為相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供“干凈”實(shí)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)勢，建設(shè)中國首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室。
初步測量顯示，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)⒂钪婢€通量降到地面水平的約億分之一。
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室一期（CJPL-I），引自清華大學(xué)工程物理系網(wǎng)站。
作為中國首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室2010年12月在四川雅礱江錦屏水電站正式投入使用，這個(gè)世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室的啟用標(biāo)志著中國已經(jīng)擁有開展物理學(xué)重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究的自主地下實(shí)驗(yàn)平臺。
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找到暗物質(zhì)對人類意味著什么
“暗物質(zhì)，通俗地講就是那些既不發(fā)射光，也不吸收和反射光的物質(zhì)。由于暗物質(zhì)還是屬于物質(zhì)范疇，因此和普通物質(zhì)一樣，具有引力效應(yīng)。研究和理解暗物質(zhì)的本質(zhì)將會(huì)影響和改變?nèi)祟悓τ谟钪娴恼J(rèn)識?！?/strong>
接受媒體采訪時(shí)，錦屏實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)雙聘教授程建平表示，暗物質(zhì)問題是由瑞士科學(xué)家茲維基在1933年解釋天文觀測的一些新現(xiàn)象時(shí)提出的。暗物質(zhì)存在的多個(gè)科學(xué)證據(jù)都是由天文觀測給出的。科學(xué)家根據(jù)天文觀測數(shù)據(jù)和研究結(jié)果得出暗物質(zhì)質(zhì)量約占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的80%~90%，而且分布在宇宙的各個(gè)角落?！澳敲矗绱司薮蟮挠钪嫖镔|(zhì)質(zhì)量，必定在物質(zhì)起源和宇宙演化過程中具有重要的地位?！?/strong>
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期（CJPL-II），引自清華大學(xué)工程物理系網(wǎng)站。
程建平介紹，暗物質(zhì)理論的正確性需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)前主要的暗物質(zhì)理論模型和候選粒子，暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)探測方法主要分成直接探測、間接探測和加速器實(shí)驗(yàn)三大類。
無論哪一種探測方式，現(xiàn)代物理學(xué)的重大突破常常需要極端實(shí)驗(yàn)條件，極深地下實(shí)驗(yàn)室就是開展粒子物理與核物理、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿物理實(shí)驗(yàn)研究的重要設(shè)施。但在2009年之前，中國并沒有自己的地下實(shí)驗(yàn)室，許多相關(guān)研究無法進(jìn)行，或者只能跟國外開展合作。
2010年年底，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建成投入使用，成為我國首個(gè)、也是全球最深的地下實(shí)驗(yàn)室。
為更好地開展核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)直接測量研究，中國原子能科學(xué)研究院聯(lián)合中科院近代物理研究所、北京師范大學(xué)等，在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室完成深地加速器安裝運(yùn)行。
2020年12月26日，強(qiáng)流加速器在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室成功出束，成為世界上最強(qiáng)流深地加速器。
一年后，建立在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的我國首個(gè)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目JUNA (Jingping Underground Nuclear Astrophysics) ——錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)發(fā)布首批實(shí)驗(yàn)成果。
首批發(fā)布的4個(gè)核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，測量靈敏度和統(tǒng)計(jì)精度均高于國際同類裝置水平，達(dá)到國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量范圍和最高靈敏度。至此，我國成為世界上第三個(gè)具備開展深地核天體物理研究的國家。
成果一：25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)取得國際最高精度測量。
上世紀(jì)80年代天文觀測在銀河系星際介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)大量26Al，含量約為3倍太陽質(zhì)量。而26Al壽命不到100萬年，早期產(chǎn)生的26Al已經(jīng)消亡殆盡，銀河系中如此多的26Al的來源成為天體物理關(guān)注熱點(diǎn)。
25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)是恒星中產(chǎn)生26Al的關(guān)鍵反應(yīng)。25Mg(p,γ)26Al作為產(chǎn)生26Al的關(guān)鍵反應(yīng)對解釋26Al的來源問題具有重要意義。JUNA實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了該反應(yīng)中起決定作用的92keV共振國際最高精度測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為國際物理學(xué)頂級期刊《科學(xué)通報(bào)》封面成果發(fā)表。
成果二：19F(p,αγ)16O取得國際最精確反應(yīng)率數(shù)據(jù)。
19F(p,αγ)16O是AGB星演化中的關(guān)鍵問題。目前天文觀測發(fā)現(xiàn)AGB星中存在氟超豐現(xiàn)象，氟的豐度比太陽系要高幾十甚至上百倍，標(biāo)準(zhǔn)恒星模型無法解釋這種現(xiàn)象。19F(p,αγ)16O反應(yīng)的精確測量將有助于解決氟超豐問題。JUNA的實(shí)驗(yàn)首次將測量范圍拓展到天體物理能區(qū)，取得了國際上最精確的反應(yīng)率數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)研究成果發(fā)表在國際物理學(xué)頂級期刊《物理評論快報(bào)》并獲編輯推薦。
成果三：13C(α,n)16O反應(yīng)首次完整覆蓋天體物理i-過程能區(qū)。
13C(α,n)16O反應(yīng)是重要的中子源反應(yīng)。比鐵重的元素如何合成一直是核天體物理的最重要問題，現(xiàn)在知道大約有一半比鐵重的元素是通過慢速中子俘獲過程（s過程）形成。這一過程中的原料中子就是由13C(α,n)16O反應(yīng)提供的。該反應(yīng)的精確測量對于理解重元素的合成具有重要意義。JUNA實(shí)驗(yàn)測量的能量范圍首次完整覆蓋天體物理i-過程能區(qū)，澄清了過去直接測量數(shù)據(jù)3倍的分歧。
成果四：12C(α, γ)16O反應(yīng)測量實(shí)現(xiàn)國際最高靈敏度。
12C(α,γ)16O反應(yīng)是核天體物理實(shí)驗(yàn)中最重要的反應(yīng)，被譽(yù)為核天體物理的“圣杯”。一方面是由于該反應(yīng)的重要性：直接決定了組成生命最重要的兩種元素；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；決定了大質(zhì)量恒星演化的最終命運(yùn)。另一方面是因?yàn)樵摲磻?yīng)機(jī)制復(fù)雜，截面極低，實(shí)驗(yàn)測量非常困難。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)測量達(dá)到了國際最低能量，接近了天體物理能區(qū)，并且實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)測量的最高靈敏度，向摘取“圣杯”跨出重要一步。
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對防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量要求極高
中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是我國也是國際上第一次大規(guī)模建設(shè)具有極低輻射本底的前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施，對加快創(chuàng)新型國家建設(shè)、世界科技強(qiáng)國建設(shè)意義重大，在國內(nèi)、國際上都具有重要影響力，并且建成后要申報(bào)國家優(yōu)質(zhì)工程金獎(jiǎng)。
“也正是如此，其對質(zhì)量要求極高，防護(hù)系統(tǒng)在全壽命周期都不能出現(xiàn)任何滲漏?！?/p>
大禹偉業(yè)(北京)國際科技有限公司承擔(dān)了中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的防水工程任務(wù)。董事長很清楚其中難度，堪稱一場艱苦卓絕的技術(shù)攻堅(jiān)。
其一，中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室位于四川省雅礱江錦屏山隧道中間位置，雅礱江干流之上。雅礱江徑流的一半由降水形成，每年汛期為6-9月，富水地質(zhì)加多雨氣候，巖體內(nèi)陸下水量大、水壓高，防水工程任務(wù)重、難度大。
錦屏隧道地理位置圖，引自中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站。
其二，地下實(shí)驗(yàn)室使用周期長，至少50年。
由于該工程為隱蔽工程，一旦滲漏無法維修，所以要求至少50年內(nèi)都不能滲漏，這就對防護(hù)材料尤其是關(guān)鍵主材（噴涂速凝液體橡膠防水涂料）的耐老化性能提出要求，關(guān)鍵主材人工加速耐老化實(shí)驗(yàn)時(shí)間至少要達(dá)到5000小時(shí)。
其三，項(xiàng)目所處地理位置特殊，水量大、水壓高，施工環(huán)境復(fù)雜，對材料性能要求極高。
地下實(shí)驗(yàn)室位于雅礱江干流之上的錦屏山隧道內(nèi)，巖石覆蓋厚度達(dá)到2400米，富水地質(zhì)加多雨氣候，巖體內(nèi)陸下水量大、水壓高，滲透性強(qiáng)，水流方向不固定、不規(guī)則，對材料性能要求極高。
其四，實(shí)驗(yàn)室防水、抑氡是重點(diǎn)。
地下室實(shí)驗(yàn)室周邊地理環(huán)境，巖層覆蓋深度，雖然對實(shí)驗(yàn)室探測暗物質(zhì)數(shù)據(jù)有利，但是要保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)驗(yàn)室防護(hù)不僅要防水，更要抑氡。
2400米的山體可以阻擋大部分宇宙射線，但山體內(nèi)部巖層、土壤析出的氡及同位素等對探測暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)具有很大的影響，實(shí)驗(yàn)室防水材料性能不僅要具有防水功能，還要具備優(yōu)異的防漏氣性能。
其五，施工工藝復(fù)雜，異形結(jié)構(gòu)工序多，節(jié)點(diǎn)處理難點(diǎn)多，難度大。
采用防排一體化工藝，異型結(jié)構(gòu)工序繁多，且整個(gè)工程包含防水錨桿及埋件錨桿共計(jì)81403個(gè)，埋件及地腳螺栓共計(jì)5104個(gè)，節(jié)點(diǎn)處理至關(guān)重要，稍有不慎，就會(huì)成為滲漏隱患，使整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)失效。
其六，施工難度較大，對專業(yè)性要求強(qiáng)。
由于洞體巖石層結(jié)構(gòu)凹凸不平，異型節(jié)點(diǎn)較多，整體噴涂工作面復(fù)雜，對噴涂專業(yè)性要求很高：如噴槍距離基面的高度、角度，噴涂方向、速度等都會(huì)對防水涂膜質(zhì)量產(chǎn)生影響，必須要求有100萬平方米以上噴涂經(jīng)驗(yàn)的噴槍手，保證涂膜的均勻性和致密性，避免出現(xiàn)砂眼、蜂窩、脫層、分層等情況。
如果噴涂技能不達(dá)標(biāo)，防水涂膜一旦造成缺陷，存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)，將給實(shí)驗(yàn)室科研工作帶來不可估量的損失。
針對項(xiàng)目施工的復(fù)雜度，項(xiàng)目甲方、總包、大禹偉業(yè)在前期試驗(yàn)段施工中，不斷探索、研究最優(yōu)、最保險(xiǎn)方案。
其中，大禹偉業(yè)依據(jù)專業(yè)的技術(shù)、研發(fā)能力及多年隧道施工經(jīng)驗(yàn)，為暗物質(zhì)項(xiàng)目防水、抑氡技術(shù)提供了專業(yè)、寶貴的技術(shù)建議，為實(shí)驗(yàn)室整體防護(hù)長期有效提供了可靠的保障。
在項(xiàng)目整體施工中，大禹偉業(yè)憑借多年施工專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范化組織，專業(yè)、高效施工。
一方面，采用防排結(jié)合設(shè)計(jì)，在初襯上安裝排水板，結(jié)合液體橡膠形成的完整密閉防水層，可使巖壁上的明水從排水溝排走，減少防水層靜水壓，保障防水效果。
另一方面，液體橡膠滿噴整個(gè)隧道襯砌和底板，形成完整無縫、全封閉的防水層。防水層完整包裹住整個(gè)隧道，且和后道噴射混凝土之間形成滿粘，有效避免了竄水滲漏。
