科创中国行｜锦屏山：地下2400米，探寻宇宙里的暗物质

PandaX-20T原型样机

从西昌驱车两小时，城市灯火退去，连绵山脉与碧色江水扑面而来——雅砻江锦屏水电站水工隧洞群到了。这是世界规模最大的水工隧道群，两条17.5公里长的锦屏山隧道是其“心脏”。

隧道中央，地下2400米，坐落着世界最深、最大的极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施——中国锦屏地下实验室。上海交通大学PandaX暗物质实验装置位于B2实验厅。宽高14米、长达60多米的厅内施工热火朝天，门口停着运送建材的电动转运车，却掩不住科学家们眼底的期待。今年底，新一代液氙暗物质探测器PandaX-20T即将运抵。

这是PandaX团队探测器的第四次升级换代。建成后，将成为全球灵敏度最高的暗物质探测器，引领国际新一代暗物质探测。

PandaX团队成员此前的合影，右一为刘江来，前排中央为季向东。

从0到1

人类对暗物质的认识，一直像“闻香识女人”，凭其在宇宙天文尺度上的观测证据推测它的存在。但迄今没有确凿的实验室证据，能让科学家信心满满地宣布：“暗物质被找到了。”但可以肯定的是，暗物质与当下所有已知粒子的性质都不相同。

暗物质，是当前物理学最重大的前沿课题之一。近百年前，人类首次通过引力效应知晓暗物质的存在，但关于暗物质的物理本质，是许多顶尖科学家都梦想揭开的神秘面纱。诺贝尔物理学奖获得者李政道称其“预示着物理学的又一次革命”。

“实验室搜寻暗物质，就像在嘈杂的世界杯决赛现场，捕捉一根针落地的声音。”前往锦屏地下实验室途中，上海交通大学李政道研究所鸿文特聘学者、PandaX项目负责人刘江来教授这样向记者描述。

PandaX-20T基础设施示意图

暗物质肉眼不可见，天文望远镜和电磁手段也难以捕捉其踪迹，地球表面宇宙射线干扰无处不在，一座能阻挡宇宙射线、辐射本底极低的“纯净”实验室，便成了探测暗物质的先决条件。

锦屏地下实验室被公认为世界范围内探测暗物质条件最好的实验室——2400米的极深地下，高大山体挡住了绝大部分来自宇宙的各类射线。国投雅砻江公司锦屏山地下实验室管理局办公室主任师尹晓君介绍：“这里的宇宙线通量只有地面的一亿分之一，是全世界最‘纯净’的深地实验室。”

不同于想象中需要乘电梯深入地下的矿井式空间，锦屏地下实验室并非“挖”入地下，而是建造在海拔4000多米的锦屏山“腰部”——实验室位于山体海拔1600米处，洞口是平坦的公路，各类大型实验设备、器材可平稳驶入。

这在研究暗物质的科学家看来，可说是大自然的馈赠。

2009年，全球粒子物理学家对暗物质的探测迎来新高潮。上海交通大学李政道研究所鸿文讲席教授季向东牵头成立了PandaX合作组，并成为首批进驻锦屏地下实验室的实验团队之一。

PandaX-4T时间漂移室

从“单一”到“多元”

全世界范围内，有20多个暗物质团队采用不同探测方式在地下搜寻暗物质。其中，意大利DAMA/LIBRA、美国CoGENT、德国CRESST等多个实验团队都曾宣称发现暗物质的迹象，但均未被证实。PandaX团队用超纯水作为屏蔽体包裹液氙探测器，通过暗物质碰撞氙核产生的光子和电子来探测较重的暗物质粒子——这也是目前国际主流的暗物质探测路线之一。

刘江来把这个过程比作在无垠大海里布下一张网，等待暗物质这条从未被看见的“鱼”偶然撞入。而这条“鱼”的踪迹，可能只是液氙中几颗原子核被轻轻拨动后留下的一缕微光。

十余年来，这张网越织越大。从120公斤级的PandaX-I，到580公斤级的PandaX-Ⅱ，再到不久前刚刚“功成身退”的4吨级PandaX-4T，团队一次次扩大探测器规模、提升灵敏度，向暗物质的未知世界不断深入。

PandaX-4T运行期间，不仅对暗物质可能具有的电磁性质给出了国际最好的测量结果，成果发表于科学领域顶级期刊《自然》；还首次观测到太阳硼8中微子与氙原子核相干散射的迹象，入选美国物理学会2024十大亮点工作。

在锦屏地下实验室，刘江来指向实验厅施工现场的尽头，被围挡的基坑足有13米深，这里将成为PandaX-20T的新家。目前设备正在上海交大李政道研究所进行最后阶段测试调试。新设备不仅将提升暗物质探测的最高水准，还能从暗物质探测的单一目标，转为探测中微子等其他粒子的多元目标。“届时，新探测器的灵敏度将提升1-2个数量级，有望打开此前未被探索的暗物质研究空间。”

4T设备安装时，实验团队与装置合影

科学实验就像“跷跷板”

走进上海交大PandaX暗物质实验室驻地办公室，六十几个近乎发黑的口罩过滤芯拼凑成“PANDA”字样，贴在墙面上格外显眼。刘江来抬头看着几个字母，笑了。那还是PandaX-4T实验运行和锦屏实验室升级施工并行时，团队人员戴着俗称“猪鼻子”的工业防尘口罩工作，口罩滤芯很容易从白色染成灰色。后来，大家把用过的滤芯收集起来贴在墙上，纪念那段难忘的时光。

PandaX团队工程师赵力是项目组的“元老”，负责设计、安装、调试项目运营所需的低温与纯化设备。他颇为自豪：“实验组从零起步，经验缺乏，起初搭建设备经常要向团队中的外籍专家请教，设备也需要花费高额成本从国外进口。如今，实验所需设备中大部分都是团队成员自主设计研制的。”

虽然PandaX实验室在升级换代，但实验从未停歇。B2实验厅走廊里，暂存着从大厅移来的过滤超纯水的仪器和其他检验装置。北京航空航天大学博士生郭旭楠和山东大学粒子物理专业博士生庞彬宇穿着洁净服，从一堆仪器中探出脑袋——整个暑假，他们就“藏”在走廊的设备中间，日复一日测量实验厅内的中子本底，耳边是轰鸣的施工现场。

刘江来喜欢把排除实验本底的过程描绘成“像坐跷跷板”——两年前PandaX-4T设备调试时，团队用尽办法降低某一种本底的数量，运行了两个月才发现，排除这种本底的过程却带来了新的本底，因此团队不得不再想办法排除新的干扰。“有时候会觉得有挫折感，但科学研究的魅力不就在于不停地发现新问题、解决问题的过程吗？”

PandaX-4T纯水屏蔽体

科研是“热板凳”

锦屏地下实验室有8个实验大厅，还包括两条辅助隧道以及中间的连接隧道，总容积超过30万m³，不同的实验区域被分配给不同的科研团队——从暗物质、中微子到极深环境下的细胞衰败情况，小小实验室承载着人类对未知世界的极致探索。

PandaX团队工程师燕斌斌介绍，锦屏隧道里常年湿度高达85%，当地人靠吃辣排湿气，这对不善吃辣的南方人是个挑战。而且长期在地下实验给科研人员的心理带来了很大的挑战，每隔几小时，大家都要走出隧道晒晒太阳。PandaX助理工程师张威已驻守锦屏实验室近7年，“刚来时很不适应，几乎每隔一两个礼拜必须下山感受一下城镇的人间烟火。现在习惯了，这次我已经7、8个月没有下山了。”

科研的“冷板凳”该如何坚守？刘江来说，暗物质信号区内，有时候十几天才能等到一个物理事件，而且大概率是噪声引起的，非常考验科研人员的耐心与定力。但是很多从事基础研究的人都拥有同一种特质——他们只为科学着迷，在默默无闻中将这条道路走得坚定而有力。“科研不是冷板凳，对喜欢的人而言，是最炙手可热的‘热板凳’。”

总有人问刘江来，找到暗物质能有什么用？“我也不知道，先做着呗。”他用筷子夹起凉山地区农民自己手磨的豆腐说：“从理解世界的角度来说，对未知世界的探索可以提升整个民族的科学精神和科学品位。人类的发展，就是不停地踏出别人从未踏过的疆域。”

2400米之下，没有城市的喧嚣，没有信号的纷扰，只有液氙中等待被拨动的原子，和一群人望向星空的眼睛。那条看不见的“鱼”何时撞入网中，无人知晓，或许只有时间才知道。（中国互联网发展基金会中国正能量网络传播专项基金支持项目）