在地下2400米攀登世界科技高峰清华大学|物质|科技

【人才强国新征程】

中国锦屏地下实验室清华大学暗物质实验科研团队：

在地下2400米攀登世界科技高峰

光明日报记者杨桐彤

四川凉山彝族自治州锦屏山，巍峨耸立，风光秀美，山脚被雅砻江环抱。

从山顶垂直向下2400米处，有目前全球岩石覆盖厚度最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室。

在实验室里有一群科技工作者，他们喜欢称自己的科研工作为“守株待兔”。

他们待的“兔”，可非同一般！这是宇宙中的神秘物质——暗物质。暗物质，虽然从未被“看见”，但已被科学家通过天文学众多观测数据得出，约占整个宇宙物质总质量的85%。要知道，我们目前所看到的恒星、行星等普通物质，仅约占整个宇宙物质总质量的15%。

地下，能有效屏蔽宇宙射线对暗物质探测的“噪声”干扰。为了探测到暗物质，这群科技工作者在大山深处、于“黑暗”之中，夜以继日地开展科研攻关，在暗物质直接探测领域走到了世界前列。

暗物质实验组成员在测试新型高纯锗探测器。资料图片

暗物质世界的跋涉者

2023年6月中旬，锦屏地下实验室主任、清华大学双聘教授程建平又来到了实验室二期项目建设现场。看着眼前即将竣工的实验室，程建平激动不已：“这里将大大推动我国在粒子物理和核物理领域的重大基础前沿研究，成为我国乃至世界粒子物理学家探索未知的乐园。”

2003年，面对提高我国基础研究水平的迫切需求，程建平率领十几人的团队，瞄准世界科学前沿，立志从事暗物质直接探测研究。这一做，就是20年。

最开始，我国还没有地下实验室，他们要时常跑到国外的地下实验室做研究。然而，给他们的实验地方仅有2平方米大。为了找寻国内适合暗物质研究的实验场地，程建平团队数年时间里，在全国范围内调研过各种地下空间，但都不太符合实验条件。偶然间，他们看到了锦屏山交通隧道贯通的消息，脑海中瞬间闪过一个想法——“场地有了！”

读出电子学组成员在分析电子学信号。资料图片

于是，他们与雅砻江流域水电开发有限公司合作，共同开始建设实验室。锦屏地下实验室低本底组负责人、清华大学工程物理系研究员曾志，也是最早参与到实验室建设的成员之一。15年来，他已经数不清到锦屏地下实验室的次数和时间，赶上任务紧张，连续待上几个月的情况也时常出现。

“实验室里的钢筋、水泥、骨料、实验仪器设备等都需要满足低辐射本底的要求，我们对每一处细节都进行了精密筛选和测量。”曾志说，实验室宇宙线通量只有约地面水平的一亿分之一，随着实验室从一期4000立方米扩大到二期的30万立方米，这里已成为全世界最深最大最“纯净”的深地实验室，是国际一流的前沿物理实验平台。

15年来，团队集聚了越来越多对科学充满热爱、对宇宙有强烈好奇的科学家和科研人员，在锦屏地下实验室，开展暗物质直接探测研究。

得出我国首个暗物质直接探测物理结果，成功排除美国某实验组宣称“探测到暗物质”的区域，建成国际首个液氮直接浸泡制冷的点电极高纯锗阵列实验系统……团队取得了一系列国际领先的科研成果，使我国暗物质研究实现从“跟跑”到“并跑”，再到局部“领跑”的跨越。

齐心协力突破“卡脖子”难题

过去，在团队成员心中，始终有个坎儿，极大限制了他们做科研的脚步。

那就是探测暗物质的核心装置——高纯锗探测器长期依赖进口。“我们要研发出属于自己的高纯锗探测器！”2010年起，锦屏地下实验室副主任、清华大学工程物理系研究员李元景带领团队踏上了征服探测器的道路。

从零开始，谈何容易！因暗物质的发现对高纯锗探测器的灵敏度要求非常高，李元景与团队既要能够制备高纯度锗晶体，还要摸索探测器制作整套工艺。“每向前走一步，对我们来说都是一道坎儿，而这样的坎儿有无数个。”李元景说。

7年时间，李元景与团队攻克了高纯锗探测器“卡脖子”技术，研发出了我国第一台500克级高纯锗探测器。自此，高纯锗探测器的研发驶入了“快车道”，1公斤级、1.5公斤级也陆续问世。

“做科研就要勇于冲破黎明前的黑夜，一旦迎来第一缕曙光，前方将是万丈光芒。”李元景满怀憧憬地说，“接下来，我们的目标是要完成百公斤级的高纯锗探测器。”

在锦屏地下实验室，非常鼓励团队成员大胆假设、勇敢尝试。随着实验室里高纯锗探测器规模的不断扩大，捕捉到的脉冲信号越来越多，对锦屏地下实验室读出电子学组负责人、清华大学工程物理系副研究员薛涛提出了更大挑战。

低本底组成员在对本底检测材料进行表面处理及尺寸测量。资料图片

“面对海量信号，我们既需要提高读出带宽，将更多脉冲信号转换成数据信号存储到电脑中，同时也要避免在舍弃电子学‘噪声’时，将隐藏在其中的有用信号误删掉。”薛涛向记者讲述着所面临的困难。

他们产生了一个大胆想法，将读出带宽从1千兆比特每秒提升到40千兆比特每秒，并利用神经网络结合数字滤波，研究新的实时在线处理算法，对波形数据进行初步筛选。

刚开始，薛涛对这个想法还比较犹豫，步子迈这么大，究竟能不能实现？“就去做吧！”在锦屏地下实验室的大力支持下，薛涛带领团队奋力攻克一道道难关。

“我们发现啦！”2023年3月的一个深夜，薛涛的手机收到一条令人振奋的消息。“多年来，我们一直梦想着在电子学‘噪声’里找到隐藏其中的有用信号，为之后疑似暗物质信号分析提供更多有用的数据，这次终于成功了。”薛涛说。

把接力棒交到年轻人手中

“由清华大学负责的锦屏地下实验室，既要推出科研成果，还肩负着培养人才的使命。”李元景说，“我们团队的主力就是这些80后、90后的青年科研人员，将年轻人培养起来同样也是重要成果之一，为此我们给了年轻人很多挑大梁的机会。”

2017年1月，刚在国外完成博士后的田阳，一回到清华大学，就在探测器组负责人、清华大学工程物理系首席研究员李玉兰的指导下，承担起了下一阶段的重要任务——将高纯锗探测器的制冷方式由真空腔液氮直冷改为液氮裸浸。

对于这项重任，田阳感到压力很大，但又充满能量与干劲。“国际上关于暗物质探测竞争激烈，我们必须分秒必争。”他说。熬夜甚至通宵，对田阳来说是常有的事。他至今还记得2018年12月第一次将调整后的高纯锗探测器放入液氮中的那个夜晚，他和团队盯到凌晨2点还不舍得离开。

5年里，田阳发现问题、解决问题，终于使高纯锗探测器达到了未来实验要求。如今已是副研究员的他，正期待着将研究成果，尽早应用在锦屏地下实验室二期的液氮恒温器中。

中国锦屏地下实验室二期大型低温液氮恒温器。资料图片

2023年7月初，锦屏地下实验室暗物质实验组成员、清华大学工程物理系助理研究员杨丽桃，来到锦屏地下实验室，对高纯锗探测器进行现场的安装调试。

从读博士开始，杨丽桃就在锦屏地下实验室科学部负责人、清华大学工程物理系首席研究员岳骞和暗物质实验组负责人、清华大学工程物理系副教授马豪的指导下，从事暗物质探测研究工作。当时，开发出能够甄别疑似暗物质信号的数据分析方法，迫在眉睫。杨丽桃给自己定下了“军令状”：“不做出来，不理发不刮胡子。”

在锦屏地下实验室，杨丽桃利用白天做调试，晚上回宿舍写算法，几乎每天都保持着高强度的工作状态。其间，大家看到头发超过肩膀的杨丽桃，都快认不出来了，“一点也不像个90后的小伙子”。

两年后，当杨丽桃穿戴整齐、干净利落地出现在团队面前，大家知道，他做出来了！

在团队中，像田阳、杨丽桃这样执着的青年科研人员还有很多，他们在重大项目的历练中，逐渐成长为科研创新的骨干力量。

“我们可以放心地把接力棒交到他们手中，相信他们会取得更大的突破与创新！”程建平说。

《光明日报》

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