清華大學(xué)、雅礱江公司共建的世界最深地下實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)擴(kuò)建
清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的暗物質(zhì)研究已取得國(guó)際一流實(shí)驗(yàn)結(jié)果
記者 劉蔚如 通訊員 楊 柳
8月1日，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司在成都簽署了共同建設(shè)“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”二期工程的合作協(xié)議，標(biāo)志著這個(gè)國(guó)際上垂直巖石覆蓋最深的、我國(guó)第一個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建工作正式啟動(dòng)。
圖為清華大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)（右一）與雅礱江公司總經(jīng)理陳云華（左一）代表雙方簽訂合作協(xié)議。
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是2009年清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司（時(shí)為二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，2012年更名）簽約共同建設(shè)的我國(guó)首個(gè)極深地下實(shí)驗(yàn)室，2010年12月建成并投入使用，為目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室。
實(shí)驗(yàn)室建成后，由清華大學(xué)主導(dǎo)，四川大學(xué)、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、南開(kāi)大學(xué)和雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司等單位共同參與的中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（China Dark matter Experiment，CDEX）合作組開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展暗物質(zhì)研究。2013年，CDEX實(shí)驗(yàn)組在國(guó)際權(quán)威物理期刊《物理評(píng)論D》（Physical Review D）上發(fā)表首個(gè)研究成果，這是我國(guó)第一個(gè)自主開(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的物理結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)成果在低能區(qū)達(dá)到了國(guó)際一流水平，確立了CDEX實(shí)驗(yàn)組在國(guó)際暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)第一陣營(yíng)的地位。
重大基礎(chǔ)前沿科研工作者的夢(mèng)想“舞臺(tái)”
2009年，當(dāng)清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司簽署合作協(xié)議，決定共同建設(shè)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)教授程建平并沒(méi)有想到，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)在5年后迎來(lái)二期建設(shè)的啟動(dòng)。“我們當(dāng)時(shí)就是基于開(kāi)展暗物質(zhì)研究的需要，決定建設(shè)一個(gè)能夠進(jìn)行暗物質(zhì)研究的地下實(shí)驗(yàn)室，至于更大規(guī)模、能夠容納更多領(lǐng)域重大基礎(chǔ)前沿課題研究的實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，我們當(dāng)時(shí)并沒(méi)有想過(guò)。”程建平坦言。因此，2010年建成并投入使用的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，僅有利用水電站工程已有的洞室擴(kuò)建而成的約4000立方米的地下空間，目前這些空間已經(jīng)基本用盡。
圖為雙方人員合影。
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是國(guó)際上巖石覆蓋最深的地下實(shí)驗(yàn)室。只有在這樣的極深地下實(shí)驗(yàn)室里，高能量的宇宙線(xiàn)才能夠被盡可能地屏蔽，為暗物質(zhì)探測(cè)等重大基礎(chǔ)性前沿課題研究提供盡量“干凈”的輻射環(huán)境。而且經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室周?chē)膸r石純度也非常高，其放射性核素含量很低，這是一個(gè)“干凈”的地下實(shí)驗(yàn)室所必須具備的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室以其一流的綜合條件吸引了國(guó)際科學(xué)界的高度關(guān)注，國(guó)際著名雜志《科學(xué)》（Science）、《今日物理》（Physics Today）都對(duì)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)運(yùn)行進(jìn)行了報(bào)道。
地下實(shí)驗(yàn)室，尤其是極深地下實(shí)驗(yàn)室，是開(kāi)展粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)及宇宙學(xué)等領(lǐng)域中的暗物質(zhì)探測(cè)、雙β衰變、中微子振蕩、質(zhì)子衰變等重大基礎(chǔ)性前沿課題的重要研究場(chǎng)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(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究所需的特殊環(huán)境，也是低放射性材料、環(huán)境核輻射污染檢測(cè)的良好環(huán)境。過(guò)去幾十年國(guó)際地下實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展進(jìn)程表明，地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和發(fā)展為國(guó)家提供綜合性的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺(tái)，是一個(gè)國(guó)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)室對(duì)國(guó)家科技發(fā)展具有重要意義和推動(dòng)作用。
長(zhǎng)期以來(lái)，由于我國(guó)沒(méi)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(wú)法開(kāi)展或只能與海外有條件的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)展，給國(guó)內(nèi)的科研工作者開(kāi)展重大基礎(chǔ)前沿課題的自主研究帶來(lái)很大限制。
2003年，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在世界上率先提出了利用低能量閾值的高純鍺探測(cè)器測(cè)量低質(zhì)量區(qū)間暗物質(zhì)的研究計(jì)劃，這一成果于2004年發(fā)表在《高能物理與核物理》雜志上。然而，由于缺少必要的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)，研究人員們只能一邊與韓國(guó)、臺(tái)灣的實(shí)驗(yàn)室合作進(jìn)行研究，一邊不斷在國(guó)內(nèi)尋找適合建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室的地方。
錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建成，為由清華大學(xué)主導(dǎo)的CDEX實(shí)驗(yàn)組的科研人員們提供了夢(mèng)寐以求的“舞臺(tái)”，他們開(kāi)始在這里盡情地“施展拳腳”。2011年，實(shí)驗(yàn)組基于原先提出的研究計(jì)劃，自主模擬、設(shè)計(jì)、研制，并委托制造了全世界單體質(zhì)量最大（接近1公斤）、閾值最低的點(diǎn)電極高純鍺探測(cè)器。2012年，實(shí)驗(yàn)組利用該探測(cè)器在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室里獲得了第一批寶貴的數(shù)據(jù)，并展開(kāi)了數(shù)據(jù)分析。2013年，實(shí)驗(yàn)組的首個(gè)研究成果就發(fā)表在國(guó)際權(quán)威物理期刊《物理評(píng)論D》（Physical Review D）上，這是我國(guó)第一個(gè)自主開(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究的物理結(jié)果，更為可喜的是，該實(shí)驗(yàn)成果對(duì)低質(zhì)量區(qū)暗物質(zhì)粒子的探測(cè)靈敏度達(dá)到了國(guó)際一流水平，確立了CDEX實(shí)驗(yàn)組在國(guó)際暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)第一陣營(yíng)的地位，這極大地提升了我國(guó)在暗物質(zhì)這一重大基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域的研究水平和國(guó)際影響力。
在參與CDEX研究的清華大學(xué)工程物理系副教授岳騫看來(lái)，能夠在較短的時(shí)間里取得重要的研究成果，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室這個(gè)得天獨(dú)厚的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的高純鍺探測(cè)器是兩個(gè)關(guān)鍵因素，“我們的實(shí)驗(yàn)室非常‘干凈’，所以我們的探測(cè)器受到的干擾就更少，我們也就能夠探測(cè)到更加靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”
然而，要進(jìn)一步提高暗物質(zhì)探測(cè)的靈敏度，取得突破性的暗物質(zhì)研究成果，必須建設(shè)噸量級(jí)的探測(cè)器。沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)室空間來(lái)容納噸量級(jí)探測(cè)器系統(tǒng)的問(wèn)題，就這樣擺在了研究人員的面前。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)學(xué)科的許多研究團(tuán)隊(duì)都提出了在該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科學(xué)研究的意向。
作為實(shí)驗(yàn)室主任，程建平越來(lái)越感覺(jué)到，世界科學(xué)家的目光開(kāi)始向錦屏聚集，他感慨說(shuō)：“在物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)這種極端深地實(shí)驗(yàn)室的需求是非常旺盛的。這么好的一個(gè)地方，如果不擴(kuò)大提供給全世界的科學(xué)家來(lái)用，實(shí)在太可惜了。”參與CDEX研究的清華大學(xué)工程物理系教授李元景也有同樣的感受，他說(shuō)：“過(guò)去我們?nèi)?guó)外參加國(guó)際合作，都是以外國(guó)科學(xué)家為主導(dǎo)，我們協(xié)助干活。那時(shí)候我們就一直有個(gè)夢(mèng)想，能夠有自己的實(shí)驗(yàn)室，吸引國(guó)外的科學(xué)家到我們的實(shí)驗(yàn)室里來(lái)，參與由我們主導(dǎo)的基礎(chǔ)科學(xué)研究。”
于是，清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)研論證，決定利用錦屏水電站施工隧道，共同建設(shè)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程。據(jù)悉，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程將包括4組共8個(gè)實(shí)驗(yàn)室及其輔助設(shè)施，總?cè)莘e將達(dá)到12萬(wàn)立方米，能夠容納更多的深地科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目同時(shí)開(kāi)展，建成后將有望逐步發(fā)展成為國(guó)家級(jí)的面向世界開(kāi)放的基礎(chǔ)研究平臺(tái)。
校企合作開(kāi)展基礎(chǔ)科學(xué)研究的典范
重大基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究的設(shè)施投入通常是巨大的，在我國(guó)，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域普遍存在著資金短缺的現(xiàn)象。“以國(guó)家現(xiàn)階段的國(guó)力和財(cái)力，不可能投入那么大的資金到基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。但是中國(guó)要成為科技強(qiáng)國(guó)，不能總是跟隨在發(fā)達(dá)國(guó)家后面，必須有所為地參與到一些最前沿的科學(xué)研究中去。”程建平強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“在這種情況下，企業(yè)、社會(huì)等各方面如果能夠?qū)A(chǔ)研究有所支持，將對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)研究的發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用。清華大學(xué)與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司的合作，就是企業(yè)支持高校開(kāi)展重大基礎(chǔ)前沿研究的典范。”
與國(guó)外動(dòng)輒耗資數(shù)十億的地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)相比，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)充分利用了雅礱江公司承擔(dān)的錦屏水電站的建設(shè)工程，節(jié)省了大量的資金、設(shè)備設(shè)施、人力、工程管理等投入。程建平說(shuō)：“在雅礱江公司的支持下，我們有條件利用少量的錢(qián)辦成一件大事，這樣的機(jī)會(huì)稍縱即逝，需要盡快抓住，所以我們決定與雅礱江公司簽約，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的二期建設(shè)。”
程建平所指的稍縱即逝的機(jī)會(huì)，就是錦屏水電站即將于明年12月結(jié)束施工的建設(shè)工程。按照水電站的建設(shè)進(jìn)程，一旦施工結(jié)束，所有的工程基礎(chǔ)設(shè)施、輔助設(shè)施、生活設(shè)施都要拆除，恢復(fù)原有的環(huán)境，施工設(shè)備和人員也將撤離。如果不抓住與水電站工程建設(shè)同步建設(shè)的機(jī)會(huì)，一旦工程結(jié)束，再想開(kāi)展地下實(shí)驗(yàn)室的擴(kuò)建，其投入將會(huì)大幅增加。
在地下實(shí)驗(yàn)室二期建設(shè)的調(diào)研論證過(guò)程中，“做，還是不做？”一度成為實(shí)驗(yàn)室管理團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)思索的一個(gè)問(wèn)題。不做，大家都覺(jué)得錯(cuò)過(guò)這樣的機(jī)會(huì)太可惜；做，就不能只做簡(jiǎn)單的小規(guī)模的擴(kuò)展，要經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研規(guī)劃，把錦屏地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為具有一定規(guī)模、能夠容納多學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)前沿研究的國(guó)際一流實(shí)驗(yàn)室。這樣一來(lái)，所需投入的資金就成為一個(gè)難題。由于水電站施工工期緊迫，從任何渠道申請(qǐng)國(guó)家項(xiàng)目的資金支持，其審核周期都不能在有限的時(shí)間內(nèi)完成，無(wú)法保證地下實(shí)驗(yàn)室二期建設(shè)跟上水電站的施工進(jìn)度。經(jīng)過(guò)反復(fù)的思考、調(diào)研和討論，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理委員會(huì)終于在去年下定決心，承擔(dān)起二期建設(shè)的工作?；叵肫甬?dāng)時(shí)的決定，程建平指出：“作為一家企業(yè)，雅礱江公司與清華大學(xué)共同建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室，給予清華大學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)研究很大的幫助。在這樣一個(gè)緊迫的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，清華也應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起這個(gè)重要的責(zé)任，我們自籌經(jīng)費(fèi)，決心把錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的二期建設(shè)工作做好！”
如今，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期建設(shè)正式啟動(dòng)，預(yù)計(jì)將于2015年底完成土建工作。
建設(shè)世界領(lǐng)先的基礎(chǔ)科研平臺(tái)
如果說(shuō)曾經(jīng)，擁有一個(gè)自己的極深地下實(shí)驗(yàn)室是許多國(guó)內(nèi)相關(guān)科研工作者的夢(mèng)想；那么如今，利用錦屏地下實(shí)驗(yàn)室這個(gè)條件一流的極端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展研究工作，則是國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家的愿望。
除了暗物質(zhì)研究，雙β衰變、中微子振蕩，乃至巖體力學(xué)、生態(tài)學(xué)等很多研究領(lǐng)域都對(duì)極深地下實(shí)驗(yàn)室有需求。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的建成以及CDEX研究取得的成果，變成了一種牽引，越來(lái)越多的科學(xué)家在思考如何利用這樣一個(gè)極端實(shí)驗(yàn)條件，開(kāi)展新的前沿研究。
而在這些前沿基礎(chǔ)研究的過(guò)程中，許多的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題也在需求驅(qū)動(dòng)下被發(fā)現(xiàn)和解決。在CDEX研究團(tuán)隊(duì)里，就有先進(jìn)輻射探測(cè)、輻射防護(hù)、材料學(xué)、低溫技術(shù)、電子學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)家，其中非常重要的一個(gè)領(lǐng)域就是高純鍺探測(cè)器的自主研制。長(zhǎng)期以來(lái)，高純鍺探測(cè)器都由國(guó)外壟斷，而我們要想自主地開(kāi)展噸量級(jí)暗物質(zhì)研究并取得重大突破，必須自己掌握這一重要的探測(cè)技術(shù)，同時(shí)還可以大幅度降低成本，推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)半導(dǎo)體探測(cè)器的研制。
正是在這種需求的驅(qū)動(dòng)下，參與CDEX研究的清華工物系教授李玉蘭承擔(dān)了高純鍺探測(cè)器的自主研制工作，目前已經(jīng)取得了很好的進(jìn)展，不僅能夠促進(jìn)暗物質(zhì)等基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究，而且可以提升我國(guó)高端產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
什么樣的科研項(xiàng)目能夠進(jìn)入錦屏地下實(shí)驗(yàn)室？在程建平看來(lái)，首先必須是最重大、最前沿的研究課題，這是最為嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn)；其次，研究項(xiàng)目所要求的實(shí)驗(yàn)空間也不能超出錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的容納限制。在此基礎(chǔ)上，將由錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)評(píng)定，該學(xué)術(shù)委員會(huì)將由國(guó)內(nèi)外的知名科學(xué)家組成。
在優(yōu)先滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)科學(xué)家的研究需求基礎(chǔ)上，中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室也將面向世界開(kāi)放，希望不斷吸引國(guó)外的優(yōu)秀科學(xué)家前來(lái)參與科研合作。這樣一來(lái)，采用什么樣的機(jī)制體制運(yùn)行和管理實(shí)驗(yàn)室，成為實(shí)驗(yàn)室管委會(huì)需要探索和解決的問(wèn)題。
“以前的國(guó)際合作多是我們到外國(guó)去，參與國(guó)外的科研項(xiàng)目?，F(xiàn)在國(guó)外的科學(xué)家要到我們這里來(lái)，參與我們的研究工作，這就會(huì)使我們遇到一些新的問(wèn)題。”程建平說(shuō)，這不僅需要我們提供良好的實(shí)驗(yàn)室硬件條件，也需要我們建立好的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理機(jī)制，使來(lái)自世界各地的科學(xué)家都能在這里充分自主地開(kāi)展科學(xué)研究。在程建平看來(lái)，這些軟性機(jī)制體制的建設(shè)工作，同實(shí)驗(yàn)室的硬件建設(shè)一樣，是我國(guó)走向科技強(qiáng)國(guó)需要探索和解決的問(wèn)題。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的二期建設(shè)和今后的發(fā)展，必將使其成為世界領(lǐng)先的基礎(chǔ)科研平臺(tái)。
（清華新聞網(wǎng)8月3日電）
編輯：襄樺
