四川雅砻江的锦屏大河湾蕴含丰富的水能资源 ， 工程师决定在这里修建水电站 。 寻找暗物质的物理学家却看中了水电站的隧道 ， 于是两者合作在近2.5千米的地下隧道中建立了深地实验室 。 现在 ， 这个“赠品”实验室已经成为了世界上综合条件最好的极深地下实验场所 ， 并且 ， 这座因暗物质而出现的实验室 ， 现在的作用已经不局限于暗物质搜寻 。
撰文|王昱
审校|白德凡
大量观测证据表明 ， 宇宙中我们熟悉的物质只占全部物质质量的5% ， 剩下的95%都是我们看不见摸不着的暗物质 。 根据暗物质建立的ΛCDM模型（ΛCDM Model） ， 更是成了当今宇宙学中的“标准模型” 。 它能解释宇宙中大多数问题 ， 但却有一个关键的缺陷：物理学家们从未找到过暗物质 。 并且 ， 粒子物理的标准模型也存在一些缺陷 ， 比如无法合理解释希格斯粒子质量为何如此之小 ， 也无法解释不同费米子间质量的巨大差异等 。 自20世纪下半叶起 ， 理论物理学家就发展了一些新物理模型 ， 表示如果我们找到了特定的暗物质粒子 ， 那么宇宙学和粒子物理学上棘手的问题就能同时解决 。 所以现在很多物理学家的工作就是寻找这种粒子 。
寻找暗物质
但暗物质之所以被称为暗物质 ， 就是因为人类始终没能发现它 。 暗物质自然不是那么好找的 ， 要么需要像“悟空”暗物质卫星（DAMPE）一样“上天” ， 在宇宙中探测暗物质粒子湮灭产生的稳定末态粒子 ， 间接推测暗物质粒子的性质；或者干脆直接用对撞机把暗物质“撞”出来 ， 但这种方式实在是太贵了 。 虽然暗物质很难和普通物质相互作用 ， 但如果观测介质足够多 ， 我们总归还是能找到暗物质粒子与观测介质相互作用的证据的 。 但如果在地面上进行这样的实验 ， 就算真的能引发暗物质粒子的作用 ， 它的信号也只能淹没在无尽的噪声中——宇宙射线带来的干扰太强了 。 这时 ， 我们就需要干脆“入地“ ， 用地球隔绝宇宙粒子的干扰 ， 而暗物质粒子不轻易和其他物质相互作用 ， 具有强大的穿透能力 ， 探测器就能直接探测到暗物质了 。
不过不是随便哪里都满足科学家“入地”的条件的 。 直接探测暗物质的探测器对实验场地的要求非常苛刻 ， 它必须被放置在地表千米以下的深地实验室中 ， 否则探测精确度会受到非常大的影响 。 如果实验室足够深 ， 但周围岩石土壤放射性较高 ， 同样会让实验无法进行 。 此外 ， 成本也非常重要 ， 科研经费毕竟是有限的 。 这是一个非常矛盾的要求 ， 因为在大多数情况下 ， 开挖深洞是非常昂贵的 。 为了找到他们的“应许之地” ， 中国粒子物理学家已经探寻了十几年 。
修水电站送的实验室
2008年 ， 一条新闻在电视上播出——世界第二深埋隧道：锦屏山隧道贯通 ， 它立即引起了清华大学粒子物理学家岳骞的兴趣 。 这条隧道位于四川雅砻江的锦屏大河湾 。 雅砻江水能资源丰富 ， 2008年时 ， 雅砻江上规划的水电站装机容量就达到了3000万千瓦以上 ， 相当于1.5个三峡水电站 。 而锦屏大河湾又几乎是雅砻江上水能资源最密集的地方 ， 150千米长的U形大弯两端直线距离仅17公里 ， 水平落差却高达312米 ， 这对水力发电而言是无法拒绝的诱惑 。 锦屏一级水电站和锦屏二级水电站就分列在锦屏大河湾的两端 。 为了向下游锦屏二级水电站引水发电 ， 工程师决定直接挖穿锦屏山 。
锦屏山隧道连接了锦屏一级水电站（Jinping Ⅰ）和锦屏二级水电站（JinpingⅡ） 。 图片来源：SCIENCE 5 Jun 2009Vol 324 ，Issue 5932 ? pp 。1246-1247
最终 ， 在施工团队艰苦卓绝的努力下 ， 他们终于挖穿了17.5千米左右的引水洞和交通隧道 。 而这时 ， 曾经给施工团队带来难以计数的困难的深度 ， 反而让粒子物理学家心中燃起了希望 。 锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度最厚能达到2.5千米 ， 人类从没有在这么深的地方建立过实验室 。 并且 ， 以往的深地实验室大多依托矿井而建 ， 需要依靠电梯进出 。 如果在锦屏山实验室中建立深地实验室 ， 科研团队可以直接开车进出 ， 而且隧道周围的配套生活工作设施完善 ， 是国际综合条件最好的极深地下实验场所 。