王鈺鋒 劉家璇 楊麗桃 曾 志 馬 豪 岳 騫

（清華大學 工程物理系 北京 100084）

物理學中有一類事例，因為反應截面極小或者半衰期極長，預期的反應事例率極小，這種事例稱為稀有物理事例。為降低環(huán)境本底，特別是宇宙線μ子的干擾，這類稀有物理事例的探測通常選擇在地下實驗室進行。2009年前，中國還沒有這類地下實驗室，相關(guān)實驗只能到國外地下實驗室進行。2009年，清華大學聯(lián)合雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，利用雅礱江公司建設(shè)錦屏水電站工程中開挖的交通隧道，在17.5 km長的錦屏交通隧道中部建設(shè)了可用容積達4 000 m3的中國錦屏地下實驗室（China Jinping Underground Laboratory，CJPL），其垂直巖石覆蓋最薄處達到了2 400 m，成為了目前世界上最深的地下實驗室，為我國科學家迅速開展暗物質(zhì)實驗提供了國際一流的極少宇宙線粒子“干擾”的潔凈地下實驗空間。近十年來，地下實驗室繼續(xù)發(fā)展，在原有一期（CJPL-I）的基礎(chǔ)上，擴建了可用容積更大的二期實驗室（CJPL-Ⅱ），為更大規(guī)模的實驗提供了便利的條件［1］。

中國錦屏地下實驗室以其得天獨厚的低本底環(huán)境，吸引了國內(nèi)眾多實驗的入駐。其中包括暗物質(zhì)探測實驗、無中微子雙β 衰變實驗、中微子實驗、核天體實驗等。這些實驗的共同點是都需要通過降低本底的方式來獲得更好的實驗靈敏度。

1 中國錦屏地下實驗室（CJPL）

CJPL 于2009 年5 月由清華大學和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司聯(lián)合建設(shè)，其位于四川錦屏山交通隧道中段［2］。

圖1 錦屏隧道剖面圖[1]Fig.1 Sectional view of Jinping tunnel[1]

中國錦屏地下實驗室目前分為一期實驗室（CJPL-I）和二期實驗室（CJPL-II）。2010年12月，一期實驗室正式投入使用，標志著我國首個極深地下實驗室、世界最深的極深地下實驗室正式建成。二期工程于2014年8月由清華大學與雅礱江流域水電開發(fā)有限公司簽署協(xié)議，啟動建設(shè)。其計劃修建4組14 m × 14 m × 130 m 的實驗大廳，總可用容積將從一期工程4 000 m3擴展到約為3×105m3，地上輔助實驗平臺建筑面積將達到約4 000 m3，有望成為世界深地物理實驗的中心。目前二期工程正在穩(wěn)步推進。

圖2 中國錦屏地下實驗室二期示意圖[3]Fig.2 Schematic layout of CJPL-II[3]

中國錦屏地下實驗室?guī)r石埋深超過2 400 m，是當前世界上巖石埋深最深的地下實驗室。極厚的巖石屏蔽了大量的宇宙射線，使實驗室的宇宙線通量僅有(61.7 ± 11.7) m-2·a-1，約為地面宇宙線通量的億分之一［3］。極低的宇宙線本底環(huán)境為一系列稀有物理事例探測實驗的開展提供了優(yōu)越的條件。在二期項目建成后，中國錦屏地下實驗室將成為世界上巖石埋深最深、宇宙線通量最低、空間最大的深地實驗室。圖3給出了目前世界上主要的深地實驗室的μ 子通量、巖石埋深、等效水深和空間大小等比較。途中圓圈大小代表實驗室容積，紅色代表隧道交通，可以乘車方便出入；藍色代表豎井交通，運輸較大的實驗部件時不夠方便。

圖3 世界地下實驗室比較[3]Fig.3 Global comparison of key underground facilities[3]

中國錦屏地下實驗室由于在其中開展的實驗的特殊性，對該實驗室的各種環(huán)境本底的控制都提出了苛刻的要求。表1總結(jié)了在一期實驗大廳（CJPLI）中測量的各種環(huán)境本底。

表1 CJPL-Ι 實驗大廳中各種環(huán)境本底測量結(jié)果[3]Table 1 Environmental background radiation measurements at the experiment hall of CJPL-I[3]

由于建設(shè)CJPL-I 的材料采用了水電站附近的原料，并沒有做特別的放射性控制，導致CJPL-I 的放射性水平相比于其他地下實驗室略高。在建設(shè)CJPL-II 時，測量了多個混凝土樣品的放射性水平。建設(shè)時只使用低放射性的混凝土。如表2 所示，CJPL-II的環(huán)境本底水平優(yōu)于CJPL-I［4］。

表2 CJPL-I與CJPL-II的部分本底測量結(jié)果[4]Table 2 Background radiation measurements of CJPL-I and CJPL-II[4]

2016 年，在錦屏地下實驗室一期、二期工程的基礎(chǔ)上，清華大學聯(lián)合雅礱江流域水電開發(fā)有限公司提出建設(shè)“極深地下極低輻射本底前沿物理實驗設(shè)施”（簡稱錦屏大設(shè)施），2018 年12 月錦屏大設(shè)施項目可行性研究報告獲得國家發(fā)展和改革委正式批復，2019 年7 月20 日，錦屏大設(shè)施項目正式啟動。錦屏大設(shè)施是“十三五”時期國家優(yōu)先安排建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，是國內(nèi)第一個極深地下實驗室基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，也是國際上第一次大規(guī)模建設(shè)具有極低輻射本底極端條件的綜合實驗設(shè)施。錦屏大設(shè)施的建設(shè)將為我國的粒子物理、核天體物理、深地輻射生物學等提供國際最一流的實驗平臺。2020年12 月，錦屏大設(shè)施正式開工建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容為4 大平臺，利用中國錦屏地下實驗室二期所開挖空間，建設(shè)地下實驗綜合運行維護支持平臺、極深地下極低輻射本底輻射屏蔽平臺、極深地下極低本底分析測試平臺，同時配套建設(shè)地上輔助實驗平臺。預計錦屏大設(shè)施將于2024年完成建設(shè)投入運行，將形成具有全世界最深、輻射屏蔽水平最高、放射性材料篩選能力最強和配套服務最完善的極深地下極低輻射本底物理實驗綜合平臺，全面提升我國科研支撐能力［5-6］。

對于深地實驗室，在保證實驗室內(nèi)極低放射性本底水平的情況下，交通的便利性也是衡量深地實驗室的一個重要指標。中國錦屏地下實驗室有得天獨厚的地理優(yōu)勢，其交通十分便利。實驗室建設(shè)在錦屏山交通隧道中段，距離隧道東端（西端）僅有8.7 km（8.8 km）。實驗人員可以直接坐車進出實驗室。同時交通隧道空間充足，可允許施工車輛通行，極大便利了大型物理實驗的建設(shè)。同時，CJPL對外的交通也十分便利。其距離西昌市青山機場僅有150 km。機場到實驗室有高速路及和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司共用的專用車道。從機場到實驗室僅有約2 h車程，十分便利。

中國錦屏地下實驗室極大推動了我國的深地科學研究的發(fā)展，如暗物質(zhì)探測、無中微子雙β 衰變(0νββ)探測、中微子探測等，為我國深地科研事業(yè)搭建了從零到一的實驗平臺。目前在CJPL 開展的實驗有中國暗物質(zhì)實驗（China Dark Matter Experiment，CDEX）、粒子和天體物理氙實驗（Particle and Astrophysical Xenon Experiments，PandaX）、Jinping neutrino experiment、錦屏深地核天體物理實驗裝置（Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment，JUNA）等實驗。相信在未來還有更多實驗組入駐CJPL。

2 CJPL中的實驗項目

2.1 CDEX實驗

CDEX 合作組由清華大學領(lǐng)導，采用點電極高純鍺探測器陣列對暗物質(zhì)和無中微子雙β衰變事例展開探測。高純鍺探測器是一種半導體探測器，具有本底低、能量分辨率好、能量閾值低、容易擴展探測器等優(yōu)點，是探測稀有物理事例的理想探測器。暗物質(zhì)探測實驗和無中微子雙β衰變實驗就是兩種典型的稀有物理事例實驗。

暗物質(zhì)是宇宙中僅參與引力相互作用，而不參與電磁相互作用和強相互作用的一種物質(zhì)，因此難以被探測到。實驗上可以采用探測暗物質(zhì)與靶核發(fā)生弱相互作用而引起的核反沖來探測暗物質(zhì)，稱為直接探測。由于反應截面極低，上述反應的事例率很小，因此需要降低本底對事例率的影響。CDEX實驗組采用自身本底極低的高純鍺探測器，并將其置于錦屏地下實驗室、外部加屏蔽體、控制探測器支撐結(jié)構(gòu)放射性以及使用反符合探測等方法進一步將探測器在0~2 keV 能區(qū)的本底事例率控制在2 count·kg-1·keV-1·d-1的水平。同時點電極探測器具有的低能量閾值屬性在探測10 GeV·c-2以下的輕暗物質(zhì)方面具有優(yōu)勢，實驗組將探測器能量閾值降低到了160 eVee水平，在國際上處于領(lǐng)先水平。

無中微子雙β衰變實驗是指在某些核素發(fā)生雙β 衰變時不放出中微子，僅放出兩個電子的過程。該實驗可以證明中微子是馬約拉納粒子，從而超越標準模型。雙β衰變的半衰期在1020a以上，而無中微子雙β衰變半衰期又遠大于此，所以無中微子雙β衰變同樣是稀有物理事例。76Ge是一種可以發(fā)生雙β 衰變的核素，且具有自然豐度高、易于富集的特點，因此富集76Ge 的高純鍺探測器非常適合進行無中微子雙β 衰變實驗。由于沒有中微子攜帶能量，無中微子雙β衰變產(chǎn)生的兩個電子會攜帶全部衰變能量，對76Ge而言，會產(chǎn)生一個2 039 keV的單能峰。因此，與暗物質(zhì)探測實驗主要關(guān)注低能區(qū)不同，無中微子雙β 衰變實驗主要關(guān)注2 000 keV 以上的高能區(qū)。

CDEX 合作組自2009 年成立以來，在使用高純鍺探測器進行暗物質(zhì)等稀有事例探測方面取得了長足的進展，探測器質(zhì)量從20 g 的CDEX-0 提升到單體質(zhì)量約1 kg 的CDEX-1A 和CDEX-1B，再到采用探測器陣列技術(shù)，總質(zhì)量達到10 kg的CDEX-10，并給出了國際領(lǐng)先的物理結(jié)果。2018年，實驗組對弱相互作用大質(zhì)量粒子（Weakly Interacting Massive Particles，WIMPs）模型的分析給出4~5 GeV·c-2以下自旋無關(guān)國際上最靈敏的實驗結(jié)果［7］（圖4（a））；2019 年基于CDEX-1B 四年的實驗數(shù)據(jù)對暗物質(zhì)年度調(diào)制效應進行研究，并在6 GeV·c-2以下質(zhì)量范圍給出了國際上最好的排除水平［8］（圖4（b））。同時，實驗組也在WIMP粒子非彈性散射、軸子和類軸子、暗光子等模型的分析中達到或超過國際最靈敏水平。在無中微子雙β 衰變實驗方面，實驗組采用CDEX-1 實驗數(shù)據(jù)對無中微子雙β 衰變能區(qū)進行分析，給出了我國首個自主76Ge 無中微子雙β 衰變研究結(jié)果，給出了半衰期下限1022a， 90% C.L［.9（］圖4（c））。

圖4 CDEX稀有物理事例探測結(jié)果(a) CDEX-10自旋無關(guān)WIMPs分析結(jié)果[7]，(b) 暗物質(zhì)年度調(diào)制效應分析結(jié)果[8]，(c) 無中微子雙β衰變分析結(jié)果[9]Fig.4 Rare physical event detections by CDEX(a) Spin Independent (SI) χ - N coupling results from CDEX-10[7], (b) Dark matter results by annual modulation analyses[8],(c) Results from neutrinoless double-beta decay[9]

圖5 CDEX-300實驗裝置計劃圖Fig.5 Schematic layout of the CDEX-300 experimental program

目前，實驗組正在針對低本底材料制備［10］、宇生放射性控制［11］、鍺晶體生長、探測器設(shè)計與制作、探測器特性表征與波形甄別［12-14］等方面進行一系列關(guān)鍵技術(shù)研究，為未來更大規(guī)模更低本底高純鍺陣列實驗奠定實驗基礎(chǔ)。

未來，實驗組計劃使用CJPL 二期C1 實驗大廳空間，將探測器裸浸于13 m×13 m的液氮中央，以實現(xiàn)對探測器的冷卻和對外部環(huán)境本底的屏蔽，預期使 2 MeV 附近的本底水平最終達到10-4count·kg-1·keV-1·a-1的水平。將使用76Ge 富集探測器，并進一步增加探測器陣列質(zhì)量到300 kg 乃至103kg量級，并使用76Ge富集探測器，將無中微子雙β 衰變半衰期下限提升到1027a 乃至1028a水平［15］。

2.2 PandaX實驗

PandaX合作組成立于2009年，采用氣液二相型液氙時間投影室探測器對暗物質(zhì)進行直接探測。二相型液氙時間投影室結(jié)構(gòu)如圖6 所示，液氙中發(fā)生的電離事例產(chǎn)生激發(fā)態(tài)氙原子和電子-離子對。其中激發(fā)態(tài)氙退激和電子離子的重結(jié)合產(chǎn)生的閃爍光構(gòu)成S1信號，電子在漂移電場和萃取電場下進入氣氙中產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象，構(gòu)成S2 信號［16］。因此，二相型液氙時間投影室可以對同一事例產(chǎn)生兩路信號，對事例三維位置重建和甄別電子與核反沖事例具有天然優(yōu)勢。同時，由于氙的原子質(zhì)量大，反應截面高，對質(zhì)量在100 GeV·c-2附近的WIMPs 粒子具有較高的反沖事例率和實驗靈敏度。

圖6 氣液二相型氙時間投影室示意圖[16]Fig.6 Schematic of a dual-phase liquid xenon detector[16]

PandaX 合作組自2009 年至今也完成了對探測器質(zhì)量的多次升級。在目前已經(jīng)結(jié)束運行的一期實驗PandaX-I和二期實驗PandaX-Ⅱ中，探測器液氙有效質(zhì)量分別達到120 kg和580 kg。取得了國際領(lǐng)先的成果。PandaX 于2016 年和2017 年公布的3.3×104kg·d 和5.4×104kg·d 的低本底數(shù)據(jù)均取得國際上最好的排除線結(jié)果，結(jié)束運行時總曝光量為1.32×105kg·d，并將30 GeV·c-2處的暗物質(zhì)反應截面上限下推到2.2×10-46cm2［17］（圖7）。

圖7 PandaX-Ⅱ?qū)IMPs粒子分析結(jié)果[17]Fig.7 PandaX-II upper limit for WIMPs cross section[17]

目前正在運行的PandaX-4T 實驗是對PandaX-Ⅱ?qū)嶒灥倪M一步升級，其液氙有效質(zhì)量達到了4 000 kg。該實驗裝置位于CJPL-Ⅱ的B2 實驗大廳中。探測器被置于低溫恒溫器中，以保持-100 ℃的低溫環(huán)境，恒溫器則置于高純水屏蔽體中，用于去除環(huán)境中γ 射線與中子本底。PandaX-4T 實驗于2020年建成，于同年11 月開始試運行，首階段采數(shù)94.9 d，總曝光量0.63×103kg·d。通過分析該階段實驗數(shù)據(jù)，實驗組將與中子和質(zhì)子自旋相關(guān)的WIMPs暗物質(zhì)粒子的反應截面下推至5.8×10-42cm2和1.7×10-40cm2［18］，并給出無中微子雙β衰變的半衰期下限為2.27×1021a［19］。

同時，PandaX-Ⅲ項目計劃利用200~1 000 kg的高壓氣氙對136Xe 無中微子雙β 衰變展開探測，并為此設(shè)計出一個包含1 MPa 氣壓20 kg 氣體的原型探測器進行驗證。該探測器從2016年起開始試運行，對探測器使用工作氣體、探測器徑跡記錄能力等指標進行了驗證，并基于此給出了PandaX-Ⅲ的預期目標，可以將2 457 keV 附近本底降到3.5×10-3count·kg-1·keV-1·a-1水平，并將136Xe的無中微子雙β衰變半衰期下限提高到8.5×1025a。

2.3 JUNA核天體實驗

JUNA是由中國原子能科學研究院領(lǐng)導的我國首個深地核天體實驗項目。核天體物理實驗主要關(guān)注宇宙中不同元素形成的過程，研究的反應包括12C(α，γ)16O，13C(α，n)16O，25Mg(p，γ)26Al、19F(p，α)16O 和19F(p，γ)20Ne 等多種核反應［20-22］。該項目于2020年入駐錦屏地下實驗室二期，并于同年12 月實現(xiàn)了實驗所需氫氦離子加速器的出束。實驗組建成的加速器可以產(chǎn)生氫離子、氦離子等多種離子束，并實現(xiàn)了能量在70~400 keV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，為實驗的順利進行奠定了基礎(chǔ)。

錦屏地下實驗室對環(huán)境γ射線和中子具有良好的屏蔽效果，而實驗正需要對核反應產(chǎn)生的γ 和中子等粒子進行探測，因此地下實驗有利于減少實驗本底，給出更靈敏的實驗結(jié)果。2021年12月，JUNA實驗給出了第一批實驗成果，在靈敏度與精度方面為國際最高水平［23］。對目前尚未探測到過的“圣杯反應”：12C(α，γ)16O給出538 keV處的反應截面上限10-36cm2，達到國際領(lǐng)先水平。同時對其他核反應給出其對應能區(qū)的計數(shù)率與本底，如表3所示。

表3 JUNA 4種反應的實驗參數(shù)[23-25]Table 3 Basic parameters of the four reactions[23-25]

2.4 中微子實驗

錦屏中微子實驗由清華大學領(lǐng)導，希望在錦屏以建設(shè)一個百噸級液閃實驗開展太陽中微子、地球中微子等多物理目標研究并達到世界領(lǐng)先［26］。錦屏實驗室具有最低的反應堆中微子本底、最大的地殼地球中微子信號、最低的環(huán)境放射性、最長的太陽中微子過地距離等特點［27］，為進行低能中微子實驗提供極大便利。錦屏中微子實驗組首先設(shè)計了一個噸量級原型探測器對實驗性能進行驗證［28］，實驗裝置位于CJPL-I實驗大廳中，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。球體中心裝有103kg 的液體閃爍體，可以在發(fā)生核反應時產(chǎn)生閃爍光。30 個光電倍增管均勻覆蓋在球體外沿，將閃爍光信號轉(zhuǎn)化為電信號［29］。球體和外部不銹鋼容器之間裝有高純度純凈水以實現(xiàn)對環(huán)境本底的屏蔽。

圖8 中微子實驗液閃探測器原型機Fig.8 Prototype of 1-ton neutrino experiment

未來，錦屏中微子實驗預期能夠?qū)崿F(xiàn)太陽中微子、地球中微子、超新星和超新星遺跡中微子等方面的物理目標。在太陽中微子實驗中，可以精確測定太陽中微子振蕩從真空到物質(zhì)效應轉(zhuǎn)換的過渡過程，可以驗證中微子物質(zhì)效應的相關(guān)理論。同時對于太陽中碳氮氧聚變循環(huán)過程的中微子的探測，可以解決太陽核心金屬元素豐度的問題。在地球中微子方面，錦屏中微子實驗能清晰地區(qū)分鈾與釷衰變鏈的成分，其測量結(jié)果與Borexino 和KamLAND 實驗的結(jié)果相結(jié)合，就可以確定來自地幔的中微子通量，從而揭示地球板塊形成、山體運動的機理和產(chǎn)熱元素的分布。

2.5 總結(jié)與展望

CDEX、PandaX、JUNA、錦屏中微子等實驗組利用CJPL的實驗環(huán)境，在暗物質(zhì)、無中微子雙β衰變、地球中微子探測等實驗上均取得了與國外同類實驗相比領(lǐng)先或持平的實驗結(jié)果，證明了錦屏地下實驗室在低本底方面的優(yōu)異表現(xiàn)。目前，CJPL-Ⅱ各實驗大廳也即將施工完成。作為目前世界上最大的地下實驗室，CJPL-Ⅱ為更大規(guī)模的實驗提供了理想的場地。CDEX 合作組的CDEX-300、CDEX-1T 項目已計劃于CJPL-Ⅱ開始建設(shè)，PandaX合作組的PandaX-4T 項目已完成建設(shè)并開始運行。通過增加探測器靈敏體積的方式，兩實驗組均期望能提高探測器的靈敏度、降低本底，從而在暗物質(zhì)探測與無中微子雙β 衰變領(lǐng)域取得領(lǐng)先成果。JUNA實驗組在CJPL-Ⅱ搭建了我國首個能量連續(xù)可調(diào)的400 keV量級氫氦離子加速器，下一步計劃建造MeV量級強流高精度靜電加速器，以期取得更為優(yōu)異的結(jié)果，并推動我國在加速器領(lǐng)域的技術(shù)突破。錦屏中微子實驗在使用原型機實現(xiàn)實驗驗證后，計劃在CJPL-Ⅱ進行更大規(guī)模實驗裝置的建設(shè)。預期建成一個總液閃質(zhì)量達到2×106kg 的球形探測器，從而實現(xiàn)更為靈敏的中微子探測結(jié)果。

同時，更多種類的實驗也計劃利用CJPL-Ⅱ低本底和大空間的優(yōu)點，例如放射生物學劑量-效應研究實驗就計劃利用錦屏地下實驗室排除宇宙射線的照射，從而揭示低劑量率下的劑量-效應的客觀規(guī)律，為人類放射治療癌癥提供更可靠的科學依據(jù)。

隨著錦屏地下實驗室二期及錦屏大設(shè)施的建設(shè)完成，中國錦屏地下實驗室將成為國際最優(yōu)秀的深地綜合實驗平臺。其將服務于粒子物理、核天體物理、深地輻射生物學等多個學科及研究方向，推動我國深地科研事業(yè)蓬勃發(fā)展。

3 結(jié)語

中國錦屏地下實驗室的建成和擴建，為越來越多的低本底實驗提供了更優(yōu)秀的實驗條件。CDEX實驗、PandaX 實驗、JUNA 實驗、錦屏中微子實驗等已經(jīng)在錦屏實驗室開展實驗并取得了國際領(lǐng)先水平的實驗結(jié)果，證明了錦屏地下實驗室優(yōu)異的低本底條件，是培養(yǎng)更多實驗項目、取得更優(yōu)秀實驗成果的溫床。未來，隨著CJPL-Ⅱ的進一步完全建成，原有實驗組會在更大的實驗空間中實現(xiàn)更大質(zhì)量的探測器運行取數(shù)，給出稀有物理事例探測的更靈敏結(jié)果。同時，也會有更多實驗組入駐錦屏，為我國前沿物理實驗研究的推進提供助力。

致謝感謝CJPL 及其工作人員對CDEX、PandaX、JUNA、錦屏中微子等實驗項目的支持。CJPL 由清華大學和雅礱江流域水電開發(fā)有限公司聯(lián)合建設(shè)和運行。

作者貢獻聲明王鈺鋒、劉家璇負責文章的撰寫與修改；楊麗桃負責文章的審閱與修改，參與實驗室建設(shè)與實驗研究；曾志、馬豪、岳騫負責實驗室設(shè)計與建設(shè)、項目的指導和管理。