“我們生活在一個暗物質海洋中，但我們對它可能是什麼知之甚少。”

這種占宇宙質量80%以上的神秘物質讓宇宙學家興奮難耐、神往不已，“它們可能比我們人類想象的更加神奇。”

在四川涼山彜族自治州，垂直岩石覆蓋厚度2400米的地下，我國科學家正在時刻尋找這束宇宙中最“弱”的光——暗物質。一種“看不見”，但又無處不在，在宇宙的形成和演化過程中發揮着極其重要作用的物質。

2014年12月24日，錦屏山隧道，中國錦屏地下實驗室在隧道中部，上方是巍巍錦屏山。圖｜新華社

中國錦屏地下實驗室，作為“十三五”重大科技基礎設施項目，是國内第一個極深地下實驗室，也是國際上第一次大規模建設具有極低輻射本底極端條件的前沿物理實驗設施。

世界最深，中國錦屏地下實驗室可以開車直入，綜合條件世界一流，為我國開展自主暗物質探測實驗研究及其它低本底實驗奠定了良好基礎，将極大推動我國粒子物理學、天體物理學、宇宙學等相關領域重大基礎前沿課題的開展，對于加快創新型國家建設、世界科技強國建設意義重大，備受各方關注。

國際著名的《科學》（Science）, 《今日物理》（Physics Today）雜志也對中國錦屏地下實驗室建設給予了高度關注和報道。

文丨李亞飛 瞭望智庫觀察員本文為瞭望智庫原創文章，如需轉載請在文前注明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者信息，否則将嚴格追究法律責任。

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中國首個極深地下實驗室

地下實驗室尤其是極深地下實驗室，是開展粒子物理與核物理學、天體物理學及宇宙學等領域的暗物質探測研究、中微子物理實驗研究等一些重大基礎性前沿課題的重要研究場所，是岩體力學、地球結構演化、生态學等學科開展相關實驗研究的重要環境，也是低放射性材料、環境核輻射污染檢測的良好環境。

2016年6月28日，研究人員準備進入中國錦屏地下實驗室。圖｜新華社

地下實驗室為國家提供綜合性的重大基礎科學和應用科學研究平台，是一個國家關鍵性的重大基礎科學研究設施，建設和發展極深地下實驗室具有重要科學意義和應用價值。

美國、英國、法國、意大利、加拿大、日本等許多國家都已經建立起地下實驗室。中國此前一直沒有很好的地下實驗室，特别是極深地下實驗室，許多相關領域的研究工作無法開展或隻能與國外有條件的實驗室聯合開展。

地下實驗室主要是用來屏蔽高能宇宙線對于暗物質、雙貝塔衰變以及中微子實驗的本底影響。

評價一個地下實驗室性能的最重要的參數之一就是宇宙線通量水平。

2009年５月，清華大學與二灘公司（2012年改名為中國雅砻江流域水電開發有限公司）簽訂戰略合作協議，決定利用錦屏山隧道垂直岩石覆蓋厚度大，圍岩放射性含量極低，能為相關實驗提供“幹淨”實驗環境的優勢，建設中國首個極深地下實驗室。

初步測量顯示，中國錦屏地下實驗室能夠将宇宙線通量降到地面水平的約億分之一。

中國錦屏地下實驗室一期（CJPL-I），引自清華大學工程物理系網站。

作為中國首個極深地下實驗室，中國錦屏地下實驗室2010年12月在四川雅砻江錦屏水電站正式投入使用，這個世界岩石覆蓋最深的實驗室的啟用标志着中國已經擁有開展物理學重大基礎前沿科學研究的自主地下實驗平台。

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找到暗物質對人類意味着什麼

“暗物質，通俗地講就是那些既不發射光，也不吸收和反射光的物質。由于暗物質還是屬于物質範疇，因此和普通物質一樣，具有引力效應。研究和理解暗物質的本質将會影響和改變人類對于宇宙的認識。”

接受媒體采訪時，錦屏實驗室主任、清華大學雙聘教授程建平表示，暗物質問題是由瑞士科學家茲維基在1933年解釋天文觀測的一些新現象時提出的。暗物質存在的多個科學證據都是由天文觀測給出的。科學家根據天文觀測數據和研究結果得出暗物質質量約占宇宙物質總質量的80%~90%，而且分布在宇宙的各個角落。“那麼，如此巨大的宇宙物質質量，必定在物質起源和宇宙演化過程中具有重要的地位。”

中國錦屏地下實驗室二期（CJPL-II），引自清華大學工程物理系網站。

程建平介紹，暗物質理論的正确性需要實驗檢驗。根據當前主要的暗物質理論模型和候選粒子，暗物質實驗探測方法主要分成直接探測、間接探測和加速器實驗三大類。

無論哪一種探測方式，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。但在2009年之前，中國并沒有自己的地下實驗室，許多相關研究無法進行，或者隻能跟國外開展合作。

2016年6月28日，研究人員在中國錦屏地下實驗室工作。圖｜新華社

2010年年底，中國錦屏地下實驗室建成投入使用，成為我國首個、也是全球最深的地下實驗室。

為更好地開展核天體物理關鍵反應直接測量研究，中國原子能科學研究院聯合中科院近代物理研究所、北京師範大學等，在中國錦屏地下實驗室完成深地加速器安裝運行。

2020年12月26日，強流加速器在中國錦屏地下實驗室成功出束，成為世界上最強流深地加速器。

一年後，建立在中國錦屏地下實驗室的我國首個深地核天體物理實驗項目JUNA (Jingping Underground Nuclear Astrophysics) ——錦屏深地核天體物理實驗發布首批實驗成果。

首批發布的4個核天體物理關鍵反應實驗研究，測量靈敏度和統計精度均高于國際同類裝置水平，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。至此，我國成為世界上第三個具備開展深地核天體物理研究的國家。

成果一：25Mg(p,γ)26Al反應取得國際最高精度測量。

上世紀80年代天文觀測在銀河系星際介質中發現大量26Al，含量約為3倍太陽質量。而26Al壽命不到100萬年，早期産生的26Al已經消亡殆盡，銀河系中如此多的26Al的來源成為天體物理關注熱點。

25Mg(p,γ)26Al反應是恒星中産生26Al的關鍵反應。25Mg(p,γ)26Al作為産生26Al的關鍵反應對解釋26Al的來源問題具有重要意義。JUNA實驗實現了該反應中起決定作用的92keV共振國際最高精度測量，實驗結果作為國際物理學頂級期刊《科學通報》封面成果發表。

成果二：19F(p,αγ)16O取得國際最精确反應率數據。

19F(p,αγ)16O是AGB星演化中的關鍵問題。目前天文觀測發現AGB星中存在氟超豐現象，氟的豐度比太陽系要高幾十甚至上百倍，标準恒星模型無法解釋這種現象。19F(p,αγ)16O反應的精确測量将有助于解決氟超豐問題。JUNA的實驗首次将測量範圍拓展到天體物理能區，取得了國際上最精确的反應率數據，實驗研究成果發表在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》并獲編輯推薦。

成果三：13C(α,n)16O反應首次完整覆蓋天體物理i-過程能區。

13C(α,n)16O反應是重要的中子源反應。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反應提供的。該反應的精确測量對于理解重元素的合成具有重要意義。JUNA實驗測量的能量範圍首次完整覆蓋天體物理i-過程能區，澄清了過去直接測量數據3倍的分歧。

成果四：12C(α, γ)16O反應測量實現國際最高靈敏度。

12C(α,γ)16O反應是核天體物理實驗中最重要的反應，被譽為核天體物理的“聖杯”。一方面是由于該反應的重要性：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；決定了大質量恒星演化的最終命運。另一方面是因為該反應機制複雜，截面極低，實驗測量非常困難。項目實驗測量達到了國際最低能量，接近了天體物理能區，并且實現了反應測量的最高靈敏度，向摘取“聖杯”跨出重要一步。

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對防護系統質量要求極高

中國錦屏地下實驗室是我國也是國際上第一次大規模建設具有極低輻射本底的前沿物理實驗設施，對加快創新型國家建設、世界科技強國建設意義重大，在國内、國際上都具有重要影響力，并且建成後要申報國家優質工程金獎。

“也正是如此，其對質量要求極高，防護系統在全壽命周期都不能出現任何滲漏。”

大禹偉業(北京)國際科技有限公司承擔了中國錦屏地下實驗室的防水工程任務。董事長很清楚其中難度，堪稱一場艱苦卓絕的技術攻堅。

其一，中國錦屏地下實驗室位于四川省雅砻江錦屏山隧道中間位置，雅砻江幹流之上。雅砻江徑流的一半由降水形成，每年汛期為6-9月，富水地質加多雨氣候，岩體内地下水量大、水壓高，防水工程任務重、難度大。

錦屏隧道地理位置圖，引自中國錦屏地下實驗室網站。

其二，地下實驗室使用周期長，至少50年。

由于該工程為隐蔽工程，一旦滲漏無法維修，所以要求至少50年内都不能滲漏，這就對防護材料尤其是關鍵主材（噴塗速凝液體橡膠防水塗料）的耐老化性能提出要求，關鍵主材人工加速耐老化實驗時間至少要達到5000小時。

其三，項目所處地理位置特殊，水量大、水壓高，施工環境複雜，對材料性能要求極高。

地下實驗室位于雅砻江幹流之上的錦屏山隧道内，岩石覆蓋厚度達到2400米，富水地質加多雨氣候，岩體内地下水量大、水壓高，滲透性強，水流方向不固定、不規則，對材料性能要求極高。

其四，實驗室防水、抑氡是重點。

地下室實驗室周邊地理環境，岩層覆蓋深度，雖然對實驗室探測暗物質數據有利，但是要保證實驗數據的可靠性，實驗室防護不僅要防水，更要抑氡。

2400米的山體可以阻擋大部分宇宙射線，但山體内部岩層、土壤析出的氡及同位素等對探測暗物質實驗具有很大的影響，實驗室防水材料性能不僅要具有防水功能，還要具備優異的防漏氣性能。

其五，施工工藝複雜，異形結構工序多，節點處理難點多，難度大。

采用防排一體化工藝，異型結構工序繁多，且整個工程包含防水錨杆及埋件錨杆共計81403個，埋件及地腳螺栓共計5104個，節點處理至關重要，稍有不慎，就會成為滲漏隐患，使整個防護系統失效。

其六，施工難度較大，對專業性要求強。

由于洞體岩石層結構凹凸不平，異型節點較多，整體噴塗工作面複雜，對噴塗專業性要求很高：如噴槍距離基面的高度、角度，噴塗方向、速度等都會對防水塗膜質量産生影響，必須要求有100萬平方米以上噴塗經驗的噴槍手，保證塗膜的均勻性和緻密性，避免出現砂眼、蜂窩、脫層、分層等情況。

如果噴塗技能不達标，防水塗膜一旦造成缺陷，存在滲漏風險，将給實驗室科研工作帶來不可估量的損失。

針對項目施工的複雜度，項目甲方、總包、大禹偉業在前期試驗段施工中，不斷探索、研究最優、最保險方案。

其中，大禹偉業依據專業的技術、研發能力及多年隧道施工經驗，為暗物質項目防水、抑氡技術提供了專業、寶貴的技術建議，為實驗室整體防護長期有效提供了可靠的保障。

在項目整體施工中，大禹偉業憑借多年施工專業化、标準化經驗，規範化組織，專業、高效施工。

一方面，采用防排結合設計，在初襯上安裝排水闆，結合液體橡膠形成的完整密閉防水層，可使岩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，液體橡膠滿噴整個隧道襯砌和底闆，形成完整無縫、全封閉的防水層。防水層完整包裹住整個隧道，且和後道噴射混凝土之間形成滿粘，有效避免了竄水滲漏。

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