【基础科研】中国锦屏地下实验室

据《人民日报》8月2日报导，北京清华大学与雅砻江流域水电开发有限公司8月1日在成都签署共同建设中国锦屏地下实验室二期的合作协议。这标志着中共第一个极深地下实验室，也是世界最深地下实验室，的扩建工作正式启动。

锦屏地下实验室，背景是雅砻江

这消息和军事没有什么关系，所以我本来不计划在此着墨，但是台湾媒体登出了误解（http://www.chinatimes.com/newspapers/20140803000702-260309），说这是一个核子实験站，将“研究高空的核爆炸效应及其杀伤范围”，我不得不来辟谣。

核子实験是很脏的事，有时实験室建在地下室，但那不是为了屏蔽外来的污染，而是怕核子实験本身污染附近的住家；不过工作人员总是要进进出出的，因此主要的幅射隔絶还是在实験室内用铅板来挡。至于地下核子试爆，那当然是用过一次就毁了，所以通常是以便宜为重，就在废弃的矿坑进行，深度视核弹的当量决定，我还没听说过有超过一千公尺的。

中共的这个锦屏地下实验室是利用既有的雅砻江锦屏水电站的引水隧洞而建造的。锦屏二号水库的水从雅砻江出发，流经四条17公里长的隧洞到隧洞末端推动八部超大型发电机排入金沙江，落差很大，使总发电量达到了4.8GW，将近核四的两倍，于2007年开工，2012年首台机组发电，预计2015年初竣工。这个工程是世界最长的水工隧洞，隧洞中段深度达到了2.5公里，也是世界第一。像这么重要而昂贵的工程，当然不会用来做核试爆，也不会浪费在其他的核子实験上。

准备扩建这个世界最深地下实验室的是北京清华大学物理系而不是清华大学核能研究院，实验的对象刚好是我的老本行：高能粒子。十五年前，天文物理界做了一个极大的发现（后来因此得了2011年的诺贝尔奖）：宇宙中的物质（也就是所有的星球和气团加起来）只占了总能量+质量（因为相对论里两者可以互相转换，所以是一件事）的5%，其他的95%又分为两类，依其对重力的反应，一类表现得像物质，另一类表现得像力场，所以前者就叫做“暗物质”（Dark Matter），而后者叫做“暗能量”（Dark Energy）。那为什么暗物质和物质不一様呢？主要是在宇宙中的四种作用力里面，暗物质只和重力作用，不像一般物质参与电磁力或强作用力。我们的实験器材可必须是用物质做的，如果要做任何（除了天文观测以外）的暗物质实験，光有重力是没有用的，所以一些物理学家就假设暗物质也参与四种作用力的最后一种：弱作用力。弱作用力虽然比电磁力和强作用力弱得多，比起重力来还算好的。

就因为弱作用力太弱了，任何实験99.999...%的结果都是背景幅射经由电磁力或强作用力造成的，所以要做暗物质的实験，第一步就是尽量消除背景幅射，因此实验室挖得越深越好，靠几千公尺的岩石来遮挡背景幅射。清华大学物理系发现了锦屏水电站有现成的世界最深隧道，到隧洞中段最深处挖几个房间就领先世界，那经费自然是水到渠成了。不过暗物质到底会不会和弱作用力反应还很难讲，就算有反应，也得够强人类才量得到，所以清华大学物理系能不能借此拿到诺贝尔奖，还是看运气的。

其实雅砻江锦屏水电站的引水隧洞里早就有另一个暗物质实験（所以清华的计划是“二期”工程），它就是2009年开始的由上海交通大学主导的PandaX（Particle AND Astrophysical Xenon detector）计划。笔者在念新竹清华的时候，梅竹之间常有友善的竞争；看来大陆的清交两校也喜欢互别苗头。

PandaX自2009年启动，2014年八月第一阶段结果出炉

总而言之，锦屏地下实验室进行的是纯粹粒子物理的研究，和核子实験没有任何瓜葛，和军事自然也就八竿子打不到一块儿。