【人才強(qiáng)國(guó)新征程】
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)科研團(tuán)隊(duì)：
在地下2400米攀登世界科技高峰
光明日?qǐng)?bào)記者 楊桐彤
四川涼山彝族自治州錦屏山，巍峨聳立，風(fēng)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(shí)驗(yàn)室——中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。
在實(shí)驗(yàn)室里有一群科技工作者，他們喜歡稱(chēng)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(jiàn)”，但已被科學(xué)家通過(guò)天文學(xué)眾多觀測(cè)數(shù)據(jù)得出，約占整個(gè)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(gè)宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的15%。
地下，能有效屏蔽宇宙射線(xiàn)對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)的“噪聲”干擾。為了探測(cè)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(kāi)展科研攻關(guān)，在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域走到了世界前列。
暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組成員在測(cè)試新型高純鍺探測(cè)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(shí)驗(yàn)室主任、清華大學(xué)雙聘教授程建平又來(lái)到了實(shí)驗(yàn)室二期項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)。看著眼前即將竣工的實(shí)驗(yàn)室，程建平激動(dòng)不已：“這里將大大推動(dòng)我國(guó)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(guó)乃至世界粒子物理學(xué)家探索未知的樂(lè)園。”
2003年，面對(duì)提高我國(guó)基礎(chǔ)研究水平的迫切需求，程建平率領(lǐng)十幾人的團(tuán)隊(duì)，瞄準(zhǔn)世界科學(xué)前沿，立志從事暗物質(zhì)直接探測(cè)研究。這一做，就是20年。
最開(kāi)始，我國(guó)還沒(méi)有地下實(shí)驗(yàn)室，他們要時(shí)常跑到國(guó)外的地下實(shí)驗(yàn)室做研究。然而，給他們的實(shí)驗(yàn)地方僅有2平方米大。為了找尋國(guó)內(nèi)適合暗物質(zhì)研究的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，程建平團(tuán)隊(duì)數(shù)年時(shí)間里，在全國(guó)范圍內(nèi)調(diào)研過(guò)各種地下空間，但都不太符合實(shí)驗(yàn)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(guò)一個(gè)想法——“場(chǎng)地有了！”
讀出電子學(xué)組成員在分析電子學(xué)信號(hào)。資料圖片
于是，他們與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司合作，共同開(kāi)始建設(shè)實(shí)驗(yàn)室。錦屏地下實(shí)驗(yàn)室低本底組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)工程物理系研究員曾志，也是最早參與到實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成員之一。15年來(lái)，他已經(jīng)數(shù)不清到錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的次數(shù)和時(shí)間，趕上任務(wù)緊張，連續(xù)待上幾個(gè)月的情況也時(shí)常出現(xiàn)。
“實(shí)驗(yàn)室里的鋼筋、水泥、骨料、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等都需要滿(mǎn)足低輻射本底的要求，我們對(duì)每一處細(xì)節(jié)都進(jìn)行了精密篩選和測(cè)量。”曾志說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室宇宙線(xiàn)通量只有約地面水平的一億分之一，隨著實(shí)驗(yàn)室從一期4000立方米擴(kuò)大到二期的30萬(wàn)立方米，這里已成為全世界最深最大最“純凈”的深地實(shí)驗(yàn)室，是國(guó)際一流的前沿物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
15年來(lái)，團(tuán)隊(duì)集聚了越來(lái)越多對(duì)科學(xué)充滿(mǎn)熱愛(ài)、對(duì)宇宙有強(qiáng)烈好奇的科學(xué)家和科研人員，在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展暗物質(zhì)直接探測(cè)研究。
得出我國(guó)首個(gè)暗物質(zhì)直接探測(cè)物理結(jié)果，成功排除美國(guó)某實(shí)驗(yàn)組宣稱(chēng)“探測(cè)到暗物質(zhì)”的區(qū)域，建成國(guó)際首個(gè)液氮直接浸泡制冷的點(diǎn)電極高純鍺陣列實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)……團(tuán)隊(duì)取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的科研成果，使我國(guó)暗物質(zhì)研究實(shí)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(guò)去，在團(tuán)隊(duì)成員心中，始終有個(gè)坎兒，極大限制了他們做科研的腳步。
那就是探測(cè)暗物質(zhì)的核心裝置——高純鍺探測(cè)器長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口。“我們要研發(fā)出屬于自己的高純鍺探測(cè)器！”2010年起，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室副主任、清華大學(xué)工程物理系研究員李元景帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)踏上了征服探測(cè)器的道路。
從零開(kāi)始，談何容易！因暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)對(duì)高純鍺探測(cè)器的靈敏度要求非常高，李元景與團(tuán)隊(duì)既要能夠制備高純度鍺晶體，還要摸索探測(cè)器制作整套工藝。“每向前走一步，對(duì)我們來(lái)說(shuō)都是一道坎兒，而這樣的坎兒有無(wú)數(shù)個(gè)。”李元景說(shuō)。
7年時(shí)間，李元景與團(tuán)隊(duì)攻克了高純鍺探測(cè)器“卡脖子”技術(shù)，研發(fā)出了我國(guó)第一臺(tái)500克級(jí)高純鍺探測(cè)器。自此，高純鍺探測(cè)器的研發(fā)駛?cè)肓恕翱燔?chē)道”，1公斤級(jí)、1.5公斤級(jí)也陸續(xù)問(wèn)世。
“做科研就要勇于沖破黎明前的黑夜，一旦迎來(lái)第一縷曙光，前方將是萬(wàn)丈光芒。”李元景滿(mǎn)懷憧憬地說(shuō)，“接下來(lái)，我們的目標(biāo)是要完成百公斤級(jí)的高純鍺探測(cè)器。”
在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，非常鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員大膽假設(shè)、勇敢嘗試。隨著實(shí)驗(yàn)室里高純鍺探測(cè)器規(guī)模的不斷擴(kuò)大，捕捉到的脈沖信號(hào)越來(lái)越多，對(duì)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室讀出電子學(xué)組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)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(duì)本底檢測(cè)材料進(jìn)行表面處理及尺寸測(cè)量。資料圖片
“面對(duì)海量信號(hào)，我們既需要提高讀出帶寬，將更多脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)存儲(chǔ)到電腦中，同時(shí)也要避免在舍棄電子學(xué)‘噪聲’時(shí)，將隱藏在其中的有用信號(hào)誤刪掉。”薛濤向記者講述著所面臨的困難。
他們產(chǎn)生了一個(gè)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(shí)時(shí)在線(xiàn)處理算法，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選。
剛開(kāi)始，薛濤對(duì)這個(gè)想法還比較猶豫，步子邁這么大，究竟能不能實(shí)現(xiàn)？“就去做吧！”在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的大力支持下，薛濤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奮力攻克一道道難關(guān)。
“我們發(fā)現(xiàn)啦！”2023年3月的一個(gè)深夜，薛濤的手機(jī)收到一條令人振奮的消息。“多年來(lái)，我們一直夢(mèng)想著在電子學(xué)‘噪聲’里找到隱藏其中的有用信號(hào)，為之后疑似暗物質(zhì)信號(hào)分析提供更多有用的數(shù)據(jù)，這次終于成功了。”薛濤說(shuō)。
把接力棒交到年輕人手中
“由清華大學(xué)負(fù)責(zé)的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，既要推出科研成果，還肩負(fù)著培養(yǎng)人才的使命。”李元景說(shuō)，“我們團(tuán)隊(duì)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(lái)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(jī)會(huì)。”
2017年1月，剛在國(guó)外完成博士后的田陽(yáng)，一回到清華大學(xué)，就在探測(cè)器組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)工程物理系首席研究員李玉蘭的指導(dǎo)下，承擔(dān)起了下一階段的重要任務(wù)——將高純鍺探測(cè)器的制冷方式由真空腔液氮直冷改為液氮裸浸。
對(duì)于這項(xiàng)重任，田陽(yáng)感到壓力很大，但又充滿(mǎn)能量與干勁。“國(guó)際上關(guān)于暗物質(zhì)探測(cè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，我們必須分秒必爭(zhēng)。”他說(shuō)。熬夜甚至通宵，對(duì)田陽(yáng)來(lái)說(shuō)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(cè)器放入液氮中的那個(gè)夜晚，他和團(tuán)隊(duì)盯到凌晨2點(diǎn)還不舍得離開(kāi)。
5年里，田陽(yáng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，終于使高純鍺探測(cè)器達(dá)到了未來(lái)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室二期的液氮恒溫器中。
中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組成員、清華大學(xué)工程物理系助理研究員楊麗桃，來(lái)到錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，對(duì)高純鍺探測(cè)器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試。
從讀博士開(kāi)始，楊麗桃就在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室科學(xué)部負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)工程物理系首席研究員岳騫和暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)工程物理系副教授馬豪的指導(dǎo)下，從事暗物質(zhì)探測(cè)研究工作。當(dāng)時(shí)，開(kāi)發(fā)出能夠甄別疑似暗物質(zhì)信號(hào)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(lái)，不理發(fā)不刮胡子。”
在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，楊麗桃利用白天做調(diào)試，晚上回宿舍寫(xiě)算法，幾乎每天都保持著高強(qiáng)度的工作狀態(tài)。其間，大家看到頭發(fā)超過(guò)肩膀的楊麗桃，都快認(rèn)不出來(lái)了，“一點(diǎn)也不像個(gè)90后的小伙子”。
兩年后，當(dāng)楊麗桃穿戴整齊、干凈利落地出現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)面前，大家知道，他做出來(lái)了！
在團(tuán)隊(duì)中，像田陽(yáng)、楊麗桃這樣執(zhí)著的青年科研人員還有很多，他們?cè)谥卮箜?xiàng)目的歷練中，逐漸成長(zhǎng)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(huì)取得更大的突破與創(chuàng)新！”程建平說(shuō)。
《光明日?qǐng)?bào)》（2023年07月16日 07版）
