【人才強國新征程】
中國錦屏地下實驗室清華大學暗物質實驗科研團隊：
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——暗物質。暗物質，雖然從未被“看見”，但已被科學家通過天文學眾多觀測數據得出，約占整個宇宙物質總質量的85%。要知道，我們目前所看到的恒星、行星等普通物質，僅約占整個宇宙物質總質量的15%。
地下，能有效屏蔽宇宙射線對暗物質探測的“噪聲”干擾。為了探測到暗物質，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，在暗物質直接探測領域走到了世界前列。
暗物質實驗組成員在測試新型高純鍺探測器。資料圖片
暗物質世界的跋涉者
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現場。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域的重大基礎前沿研究，成為我國乃至世界粒子物理學家探索未知的樂園。”
2003年，面對提高我國基礎研究水平的迫切需求，程建平率領十幾人的團隊，瞄準世界科學前沿，立志從事暗物質直接探測研究。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。為了找尋國內適合暗物質研究的實驗場地，程建平團隊數年時間里，在全國范圍內調研過各種地下空間，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有限公司合作，共同開始建設實驗室。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的成員之一。15年來，他已經數不清到錦屏地下實驗室的次數和時間，趕上任務緊張，連續待上幾個月的情況也時常出現。
“實驗室里的鋼筋、水泥、骨料、實驗儀器設備等都需要滿足低輻射本底的要求，我們對每一處細節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，開展暗物質直接探測研究。
得出我國首個暗物質直接探測物理結果，成功排除美國某實驗組宣稱“探測到暗物質”的區域，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……團隊取得了一系列國際領先的科研成果，使我國暗物質研究實現從“跟跑”到“并跑”，再到局部“領跑”的跨越。
齊心協力突破“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。
那就是探測暗物質的核心裝置——高純鍺探測器長期依賴進口。“我們要研發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！因暗物質的發現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。“每向前走一步，對我們來說都是一道坎兒，而這樣的坎兒有無數個。”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，研發出了我國第一臺500克級高純鍺探測器。自此，高純鍺探測器的研發駛入了“快車道”，1公斤級、1.5公斤級也陸續問世。
“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。”
在錦屏地下實驗室，非常鼓勵團隊成員大膽假設、勇敢嘗試。隨著實驗室里高純鍺探測器規模的不斷擴大，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。
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，將更多脈沖信號轉換成數據信號存儲到電腦中，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。”薛濤向記者講述著所面臨的困難。
他們產生了一個大膽想法，將讀出帶寬從1千兆比特每秒（Gbps）提升到40千兆比特每秒，并利用神經網絡結合數字濾波，研究新的實時在線處理算法，對波形數據進行初步篩選。
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？“就去做吧！”在錦屏地下實驗室的大力支持下，薛濤帶領團隊奮力攻克一道道難關。
“我們發現啦！”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。“多年來，我們一直夢想著在電子學‘噪聲’里找到隱藏其中的有用信號，為之后疑似暗物質信號分析提供更多有用的數據，這次終于成功了。”薛濤說。
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，還肩負著培養人才的使命。”李元景說，“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下，承擔起了下一階段的重要任務——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。“國際上關于暗物質探測競爭激烈，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，田陽發現問題、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場的安裝調試。
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實驗組負責人、清華大學工程物理系副教授馬豪的指導下，從事暗物質探測研究工作。當時，開發出能夠甄別疑似暗物質信號的數據分析方法，迫在眉睫。楊麗桃給自己定下了“軍令狀”：“不做出來，不理發不刮胡子。”
在錦屏地下實驗室，楊麗桃利用白天做調試，晚上回宿舍寫算法，幾乎每天都保持著高強度的工作狀態。其間，大家看到頭發超過肩膀的楊麗桃，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新！”程建平說。
《光明日報》（2023年07月16日 07版）
