四川凉山的锦屏山里,有一群人常年把自己"埋"在两千四百米深的岩层下面。他们不是矿工,手里没有镐头,捧着的是精密得吓人的仪器。
这群人要抓一个谁也没见过、谁也不敢说长啥样的"幽灵"——暗物质。这座藏在山肚子里的中国锦屏地下实验室,是今天全世界埋得最深的科学基地,也是中国基础物理攻坚的主战场。
要理解科学家干嘛非得往地底下钻,得先说说那个让物理学界头疼了近百年的问题。天文学家观察星系旋转的时候发现一件怪事:按照看得见的星星、气体加起来算,星系根本转不起这么快,边缘的恒星早该被甩飞了。
可它们稳稳当当待在那儿。这意味着宇宙里有一大堆"看不见的东西"在拽着。
粗略估算,这种看不见的物质,占了整个宇宙物质总量的四分之一还多。它不发光,不吸光,手电筒照不出它的轮廓,连普通物质跟它擦肩而过,大多数时候也毫无反应。
物理学家给它起了个贴切的名字,叫暗物质。要抓这种"幽灵"有多难?打个比方,相当于你在摇滚演唱会现场想听清隔壁一只蚊子的翅膀声。
地面上宇宙射线乱飞,天然放射性无处不在,背景噪音大得离谱。想捕捉那种微弱到几乎不存在的信号,只有一个办法——躲到岩石底下去。
岩石是最便宜也最靠谱的"耳塞"。山越厚,天上砸下来的宇宙射线就被挡得越干净。
锦屏山上头压着两千四百米的灰岩,宇宙射线通量压到了地表的亿分之一级别,这个数字比欧洲、北美那几家老牌地下实验室都要低。这片宝地的发现,带着点运气的成分。
本世纪初,雅砻江公司为了建锦屏一级、二级水电站,要在山体里打通十几公里长的交通隧道。清华的一位物理学家从新闻里嗅到了味道——这不就是现成的深地实验室毛坯房吗?
接下来是几年的沟通、论证、设计。清华大学和雅砻江公司谈成合作,物理学家搭上了水电工程的"顺风车"。
一期工程的实验大厅建成后挂牌启用,国内暗物质直接探测的大门,总算从这里打开了。一期只有四千立方米,几个大型探测器一塞就满。
眼看着国外同行的装置越做越大,国内团队也憋着劲往上追。于是二期工程紧锣密鼓地上马,总建筑面积扩到了四万平方米,可用空间冲到三十万立方米,相当于把一个小型地下城掏了出来。
整体设施在2023年底全部完工,这才真正让锦屏坐稳了"世界最深、最大"的位置。住进这个"地下城"的,是两支性格迥异的队伍。
清华牵头的CDEX项目选的是高纯锗探测器,用半导体的方式听动静;上海交大牵头的PandaX项目用的是液氙,一大罐透明液体当"陷阱"等着暗物质撞上来。两种技术路线并行,各有各的看家本领,彼此不替代,还能互相印证。
成绩这些年陆陆续续冒出来。CDEX发表过中国第一个暗物质直接探测结果,还用自己的数据排除掉了美国同行此前宣称的"疑似信号"区间。
PandaX那边同样硬气,相关成果多次登上国际物理学界的年度亮点。虽然谁都没真正摸到暗物质的"衣角",但把它可能藏身的区间一步步缩小,本身就是货真价实的进展。
今年四月,PandaX-4T探测器完成了最后一轮运行后按计划停机。这台陪了科学家五年多的"老伙计"要退休了,接班的是更大一代的PandaX-xT。
四月初在上海李政道研究所开的国际合作会议上,来自欧美、日本、俄罗斯以及国内十几家机构的研究者聚在一起,把下一代装置的技术路线敲定了下来。新装置的液氙规模会从几吨级跃升到几十吨级,灵敏度再上一个台阶。
CDEX那边也在同步升级。研究团队正把高纯锗探测器从公斤级往吨级推,瞄准的不只是暗物质,还有一个更深的目标——无中微子双贝塔衰变。
这个实验要是成了,等于直接改写粒子物理教科书,意义不亚于当年发现中微子有质量。锦屏的用处,其实早就不局限于抓暗物质。
山里还跑着好几个别的实验。做核天体物理的那组测过古老恒星里钙元素是怎么来的,相关结果帮天文学家补上了宇宙化学演化的一块拼图。
中微子实验组用一吨级原型机为未来的大装置铺路,瞄的是太阳中微子和地球内部放射性产生的中微子。
更有意思的是,四川大学华西医院也在山里搭了个"深地医学"平台。
他们好奇一个问题:地面上细胞天天泡在宇宙射线和天然辐射里,长时间进化下来已经适应了;要是把细胞放到几乎没辐射的环境里,它们会怎么反应?这类实验在别的地方根本做不了,锦屏成了独一份的试验场。
国家发改委已经把二期工程正式列入重大科技基础设施名录,官方名字叫"极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施"。名字拗口,意思很直白:这是国家长期砸钱、持续运行的战略平台。
此前国内学术期刊上登的一篇管理学论文,专门研究锦屏的运行模式,把它作为中国深地科研设施管理的样板案例来写。从一条水电隧道里"顺"出来的灵感,到如今挂着多项世界第一的庞然大物,锦屏走过了十几个年头。
暗物质还没被真正逮到,但该布的局都布上了,该搭的台都搭起来了。山外雅砻江水哗哗流,山里探测器一声不响。
能不能等到那个决定性的信号,科学家自己也不敢打保票。可以确定的只有一点:当谜底真的揭开那天,人类对宇宙的理解会被重新改写,而答案的第一手证据,很可能就出在四川这座山里。
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