【人才強國新征程】
中國錦屏地下實驗室清華大學暗物質(zhì)實驗科研團隊：
在地下2400米攀登世界科技高峰
光明日報記者 楊桐彤
四川涼山彝族自治州錦屏山，巍峨聳立，風光秀美，山腳被雅礱江環(huán)抱。
從山頂垂直向下2400米處，有目前全球巖石覆蓋厚度最深的地下實驗室——中國錦屏地下實驗室。
在實驗室里有一群科技工作者，他們喜歡稱自己的科研工作為“守株待兔”。
他們待的“兔”，可非同一般！這是宇宙中的神秘物質(zhì)——暗物質(zhì)。暗物質(zhì)，雖然從未被“看見”，但已被科學家通過天文學眾多觀測數(shù)據(jù)得出，約占整個宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的85%。要知道，我們目前所看到的恒星、行星等普通物質(zhì)，僅約占整個宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的15%。
地下，能有效屏蔽宇宙射線對暗物質(zhì)探測的“噪聲”干擾。為了探測到暗物質(zhì)，這群科技工作者在大山深處、于“黑暗”之中，夜以繼日地開展科研攻關(guān)，在暗物質(zhì)直接探測領(lǐng)域走到了世界前列。
暗物質(zhì)實驗組成員在測試新型高純鍺探測器。資料圖片
暗物質(zhì)世界的跋涉者
2023年6月中旬，錦屏地下實驗室主任、清華大學雙聘教授程建平又來到了實驗室二期項目建設(shè)現(xiàn)場。看著眼前即將竣工的實驗室，程建平激動不已：“這里將大大推動我國在粒子物理和核物理領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)前沿研究，成為我國乃至世界粒子物理學家探索未知的樂園?！?/p>
2003年，面對提高我國基礎(chǔ)研究水平的迫切需求，程建平率領(lǐng)十幾人的團隊，瞄準世界科學前沿，立志從事暗物質(zhì)直接探測研究。這一做，就是20年。
最開始，我國還沒有地下實驗室，他們要時常跑到國外的地下實驗室做研究。然而，給他們的實驗地方僅有2平方米大。為了找尋國內(nèi)適合暗物質(zhì)研究的實驗場地，程建平團隊數(shù)年時間里，在全國范圍內(nèi)調(diào)研過各種地下空間，但都不太符合實驗條件。偶然間，他們看到了錦屏山交通隧道貫通的消息，腦海中瞬間閃過一個想法——“場地有了！”
讀出電子學組成員在分析電子學信號。資料圖片
于是，他們與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司合作，共同開始建設(shè)實驗室。錦屏地下實驗室低本底組負責人、清華大學工程物理系研究員曾志，也是最早參與到實驗室建設(shè)的成員之一。15年來，他已經(jīng)數(shù)不清到錦屏地下實驗室的次數(shù)和時間，趕上任務(wù)緊張，連續(xù)待上幾個月的情況也時常出現(xiàn)。
“實驗室里的鋼筋、水泥、骨料、實驗儀器設(shè)備等都需要滿足低輻射本底的要求，我們對每一處細節(jié)都進行了精密篩選和測量。”曾志說，實驗室宇宙線通量只有約地面水平的一億分之一，隨著實驗室從一期4000立方米擴大到二期的30萬立方米，這里已成為全世界最深最大最“純凈”的深地實驗室，是國際一流的前沿物理實驗平臺。
15年來，團隊集聚了越來越多對科學充滿熱愛、對宇宙有強烈好奇的科學家和科研人員，在錦屏地下實驗室，開展暗物質(zhì)直接探測研究。
得出我國首個暗物質(zhì)直接探測物理結(jié)果，成功排除美國某實驗組宣稱“探測到暗物質(zhì)”的區(qū)域，建成國際首個液氮直接浸泡制冷的點電極高純鍺陣列實驗系統(tǒng)……團隊取得了一系列國際領(lǐng)先的科研成果，使我國暗物質(zhì)研究實現(xiàn)從“跟跑”到“并跑”，再到局部“領(lǐng)跑”的跨越。
齊心協(xié)力突破“卡脖子”難題
過去，在團隊成員心中，始終有個坎兒，極大限制了他們做科研的腳步。
那就是探測暗物質(zhì)的核心裝置——高純鍺探測器長期依賴進口?！拔覀円邪l(fā)出屬于自己的高純鍺探測器！”2010年起，錦屏地下實驗室副主任、清華大學工程物理系研究員李元景帶領(lǐng)團隊踏上了征服探測器的道路。
從零開始，談何容易！因暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)對高純鍺探測器的靈敏度要求非常高，李元景與團隊既要能夠制備高純度鍺晶體，還要摸索探測器制作整套工藝?！懊肯蚯白咭徊剑瑢ξ覀儊碚f都是一道坎兒，而這樣的坎兒有無數(shù)個。”李元景說。
7年時間，李元景與團隊攻克了高純鍺探測器“卡脖子”技術(shù)，研發(fā)出了我國第一臺500克級高純鍺探測器。自此，高純鍺探測器的研發(fā)駛?cè)肓恕翱燔嚨馈保?公斤級、1.5公斤級也陸續(xù)問世。
“做科研就要勇于沖破黎明前的黑夜，一旦迎來第一縷曙光，前方將是萬丈光芒。”李元景滿懷憧憬地說，“接下來，我們的目標是要完成百公斤級的高純鍺探測器?！?/p>
在錦屏地下實驗室，非常鼓勵團隊成員大膽假設(shè)、勇敢嘗試。隨著實驗室里高純鍺探測器規(guī)模的不斷擴大，捕捉到的脈沖信號越來越多，對錦屏地下實驗室讀出電子學組負責人、清華大學工程物理系副研究員薛濤提出了更大挑戰(zhàn)。
低本底組成員在對本底檢測材料進行表面處理及尺寸測量。資料圖片
“面對海量信號，我們既需要提高讀出帶寬，將更多脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號存儲到電腦中，同時也要避免在舍棄電子學‘噪聲’時，將隱藏在其中的有用信號誤刪掉?！毖蛴浾咧v述著所面臨的困難。
他們產(chǎn)生了一個大膽想法，將讀出帶寬從1千兆比特每秒（Gbps）提升到40千兆比特每秒，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合數(shù)字濾波，研究新的實時在線處理算法，對波形數(shù)據(jù)進行初步篩選。
剛開始，薛濤對這個想法還比較猶豫，步子邁這么大，究竟能不能實現(xiàn)？“就去做吧！”在錦屏地下實驗室的大力支持下，薛濤帶領(lǐng)團隊奮力攻克一道道難關(guān)。
“我們發(fā)現(xiàn)啦！”2023年3月的一個深夜，薛濤的手機收到一條令人振奮的消息?！岸嗄陙恚覀円恢眽粝胫陔娮訉W‘噪聲’里找到隱藏其中的有用信號，為之后疑似暗物質(zhì)信號分析提供更多有用的數(shù)據(jù)，這次終于成功了?！毖f。
把接力棒交到年輕人手中
“由清華大學負責的錦屏地下實驗室，既要推出科研成果，還肩負著培養(yǎng)人才的使命?！崩钤罢f，“我們團隊的主力就是這些80后、90后的青年科研人員，將年輕人培養(yǎng)起來同樣也是重要成果之一，為此我們給了年輕人很多挑大梁的機會。”
2017年1月，剛在國外完成博士后的田陽，一回到清華大學，就在探測器組負責人、清華大學工程物理系首席研究員李玉蘭的指導(dǎo)下，承擔起了下一階段的重要任務(wù)——將高純鍺探測器的制冷方式由真空腔液氮直冷改為液氮裸浸。
對于這項重任，田陽感到壓力很大，但又充滿能量與干勁?！皣H上關(guān)于暗物質(zhì)探測競爭激烈，我們必須分秒必爭。”他說。熬夜甚至通宵，對田陽來說是常有的事。他至今還記得2018年12月第一次將調(diào)整后的高純鍺探測器放入液氮中的那個夜晚，他和團隊盯到凌晨2點還不舍得離開。
5年里，田陽發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，終于使高純鍺探測器達到了未來實驗要求。如今已是副研究員的他，正期待著將研究成果，盡早應(yīng)用在錦屏地下實驗室二期的液氮恒溫器中。
中國錦屏地下實驗室二期大型低溫液氮恒溫器。資料圖片
2023年7月初，錦屏地下實驗室暗物質(zhì)實驗組成員、清華大學工程物理系助理研究員楊麗桃，來到錦屏地下實驗室，對高純鍺探測器進行現(xiàn)場的安裝調(diào)試。
從讀博士開始，楊麗桃就在錦屏地下實驗室科學部負責人、清華大學工程物理系首席研究員岳騫和暗物質(zhì)實驗組負責人、清華大學工程物理系副教授馬豪的指導(dǎo)下，從事暗物質(zhì)探測研究工作。當時，開發(fā)出能夠甄別疑似暗物質(zhì)信號的數(shù)據(jù)分析方法，迫在眉睫。楊麗桃給自己定下了“軍令狀”：“不做出來，不理發(fā)不刮胡子。”
在錦屏地下實驗室，楊麗桃利用白天做調(diào)試，晚上回宿舍寫算法，幾乎每天都保持著高強度的工作狀態(tài)。其間，大家看到頭發(fā)超過肩膀的楊麗桃，都快認不出來了，“一點也不像個90后的小伙子”。
兩年后，當楊麗桃穿戴整齊、干凈利落地出現(xiàn)在團隊面前，大家知道，他做出來了！
在團隊中，像田陽、楊麗桃這樣執(zhí)著的青年科研人員還有很多，他們在重大項目的歷練中，逐漸成長為科研創(chuàng)新的骨干力量。
“我們可以放心地把接力棒交到他們手中，相信他們會取得更大的突破與創(chuàng)新！”程建平說。
《光明日報》（2023年07月16日 07版）
