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我国首个，世界最深！中国锦屏地下实验室向更深邃的宇宙奥秘“进军”

百家作者：科技日报 2019-07-20 11:30:06

科技日报记者盛利

7月20日，首个由清华大学作为独立法人单位承担的国家重大科技基础设施——“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”启动仪式在四川省雅砻江锦屏山隧道举行，标志着由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同建设的中国首个、世界最深的极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”进入加快建设新阶段。

中国锦屏地下实验室所在锦屏山隧道入口

极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施是“十三五”时期国家优先安排建设的重大科技基础设施。国家发展改革委牵头建设管理，教育部和四川省人民政府共同主管，法人单位是清华大学，共建单位为雅砻江流域水电开发有限公司。

这既是四川承担国家战略的一份重大责任，也是四川加快创新驱动发展进程中的一件大事。

项目建成后将成为国家重要的创新平台，为建设国际领先水平的极深地下研究中心、科学考察和科普教育基地奠定坚实基础，将进一步夯实我国科技基础、推动科技进步，提升自主创新能力和国际影响力，为经济社会高质量发展提供有力支撑。

CJPL二期B2实验厅现状

图13 CJPL二期C1实验室扩挖基坑效果图

按照工程目标，该项目将利用锦屏地下实验室二期的空间条件，建成世界上最深、宇宙线通量最小、可用空间最大、综合条件齐全的地下实验室，其中宇宙线通量小于每年每平方米100个，容积大于30万立方米。

建成大型液氮低温辐射屏蔽装置、大型常温纯净水辐射屏蔽装置、极低辐射本底测量与分析装置（最小可探测活度约10微贝克每公斤），具备全面支撑我国暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变实验和地下核天体物理实验等前沿物理实验研究的能力。

探索暗物质：

有望成为世界深地物理实验中心

在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明，我们所认知的部分大概只占宇宙的4%，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。

2009年，清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司（原二滩水电开发有限责任公司）合作，在锦屏山隧道中间位置的地下2400米处修建极深地下实验室。

2010年底，“中国锦屏地下实验室”建成投入使用，成为我国首个、全球最深的地下实验室。2014年，清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司签署协议，共同建设“中国锦屏地下实验室”二期工程，将地下可用实验空间由原来的4000立方米增加到30万立方米。

“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目面向超越当前粒子物理标准模型的新粒子和新物理的重大基础前沿研究，开展暗物质直接探测实验、无中微子双贝塔衰变实验，以及核天体物理领域关键核素合成过程和恒星演化等基础科学前沿研究，探究极深地下近零宇宙射线本底条件下各类基础前沿领域探测新机理、新方法、新技术，发展极低辐射本底屏蔽新方法与新技术，为我国粒子物理和核物理领域的重大基础前沿物理问题研究提供平台支撑。

CJPL二期C1实验室现状及基坑俯瞰图

项目建设完成后将具备国际领先的深地物理实验综合条件，有望成为世界深地物理实验的中心，推动我国开展国际级大科学合作，吸引国内外顶尖学者前往开展前沿物理实验，为取得重大物理突破提供基础设施保障。

同时，该项目将提供一个近零宇宙线本底的地下辐射计量平台，可以解决极弱放射性基准测量和低剂量率刻度的难题，为我国建设完善的辐射计量基准提供实施条件，推动海洋科学、材料科学、环境科学、生物学等交叉领域的研究，为这些学科领域提供一个国际一流的极低本底交叉创新平台。

“再出发”：

5年内将建设多个实验平台

现代物理学的重大突破常常需要极端实验条件，极深地下实验室就是开展粒子物理与核物理、天体物理学及宇宙学等领域重大基础前沿物理实验研究的重要设施。

与国际上其他的地下实验室相比，中国锦屏地下实验室岩石覆盖最深、宇宙线通量最小、可用空间最大，并且具备交通便捷、电力及水源充足、基础设施完备等优势。

2016年，项目进入国家重大科技基础设施十三五规划以来，国家发展改革委从统筹协调、资金安排等方面给予大力支持，将项目纳入首批简化审批试点并在去年12月正式批复；教育部精心指导、合力推进。四川省委省政府高度重视，省委书记彭清华、省长尹力多次作出重要指示，省直相关部门和地方各级党委政府全力做好协调服务。项目承担单位清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司大胆探索、协同攻关，按照国家要求务实推动项目前期工作。在各方的共同支持与努力下，该项目正式进入加快建设新阶段。

记者查阅到，按照批复该项目的主要建设内容为：建设地下实验室综合运行维护支持平台，主要建设地下实验支撑系统、地下安全保障系统、地下工作条件支持系统、地下实验室管理信息系统等。建设极深地下极低辐射本底辐射屏蔽平台，主要建设大型液氮低温屏蔽装置、大型常温纯净水屏蔽装置、组合式固体辐射屏蔽装置等。建设极深地下极低本底分析测试平台，主要建设微贝克每公斤量级辐射本底测量与分析装置、地下放射性测量分析系统、地下极低放射性材料制备与测试系统等。建设地上辅助实验平台，主要建设地面实验室、运维管理中心、数据储存与材料转运系统等。

按照规划，“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目建设期为5年。

“跟跑”变“并跑”

我国暗物质直接探测“飞跃”

自中国锦屏地下实验室一期建成投入使用以来，已经开展了清华大学领导的高纯锗直接探测合作组（CDEX）、上海交通大学领导的液氙直接探测合作组（PandaX）等暗物质直接探测实验，及清华大学主持的锦屏中微子实验等，取得了一系列研究成果。在较短的时间内使我国暗物质直接探测实验从无到有，研究水平达到国际先进，由“跟跑”变成“并跑”。

2013年，清华大学领导的CDEX合作组在国际上发表了中国第一个自主暗物质研究成果，研究水平达到国际第一阵营。2014年，合作组又获得了10GeV以下能区里同类探测器最灵敏的实验结果，确定性地排除了美国CoGeNT实验组多年来宣称的暗物质存在区域。2018年CDEX合作组发表了4-5GeV能量区间当时国际最好的暗物质探测灵敏度实验结果。

如今，CDEX合作组的有效实验数据积累已超过4年，开展了年度调制、暗物质轴子、暗光子等多个通道物理分析，不仅在暗物质研究方面取得了国际先进水平的成果，还在高纯锗探测器自主研制、自主低温低本底前端电子学研制等核心技术方面取得重要突破。

2018年，CDEX合作组自主研制的世界第一个低阈值低本底的配置金属氧化物集成电路前放的点电极高纯锗探测器（ASIC-PPCGe），能量分辨率达到商业探测器水平，而且测量到了低能区Ge-68宇生X射线，展现了低本底测量能力。

清华大学工程物理系辐射物理与探测技术研究室主任李玉兰博士介绍实验室建设情况

未来，合作组将建设100公斤至吨量级的锗-76同位素丰度达85%以上的富集高纯锗阵列探测器系统，将探测灵敏度再提升两到三个量级，可以同时测量暗物质和无中微子双贝塔衰变两个重大前沿科学问题研究。

在国际合作方面，CDEX合作组参与了由中国、美国、欧洲等地区的40多所大学和研究机构的数百位科学家组成LEGEND合作组工作，独立提出并推动了基于LEGEND框架的吨量级高纯锗无中微子双贝塔衰变实验方案。

央视2017年底锦屏暗物质实验纪录片

来源：科技日报文中图片由锦屏地下实验室提供及网络

编辑：刘义阳

审核：管晶晶