五年青春，我成為了一名山底洞人

知識 08-16

在短暫的一生中，一個人，能有多少個全神貫注的五年，去做好一件事？

2012年8月16日，與運送「熊貓」的卡車一起，經過兩千五百公里的奔波，三天三夜幾乎沒睡，那是我第一次抵達四川。

距離今天，整整五年。

請讓我先啰嗦幾段話，簡單介紹一下故事背景。

我叫談安迪，是一位實驗物理學家。目前就讀於美國馬里蘭大學的物理系研究生，很快將是我師從季向東教授攻讀博士學位的第六年。我從事的是暗物質直接探測實驗，我們的項目叫做PandaX，中文名為「熊貓計劃」。實驗場地在：地球-中國-四川省-涼山彝族自治州的一條隧道中，深埋于海拔近4100米的錦屏山。那是一個覆蓋著2400多米岩石的極深地下實驗室，叫作中國錦屏地下實驗室，是由雅礱江水電開發公司和清華大學共建的。請你先別笑，因為的確有些物理實驗並完全不在地球上做，比如丁肇中先生領導的阿爾法磁譜儀(AMS)項目等。

中國錦屏地下實驗室示意圖。（圖片來源：上左圖來自於網路，下排圖片來自於新華社）

近期，PandaX實驗組發布了二期實驗的第二個結果，再次取得了世界領先的對於暗物質與常規物質自旋無關的散射截面的排除曲線。咳咳，說人話，就是對暗物質可能存在的參數空間做出了最強限制，不少關於暗物質的理論被證實是錯誤的。那什麼是暗物質呢，此處省略一萬字，請自行維基科普。陪伴這隻「熊貓」成長七年了，請跟隨我以一個參與者的視角，看看這個基礎科研項目背後的故事。

回到2010年的九月，彼時我還是一名上海交通大學致遠學院的大三學生，首次在季向東教授的物理討論課上聽到了當今物理學關於暗物質的疑難，對於解釋宇宙的起源以及世界上物質的組成非常重要，我深深的為之著迷。得知PandaX成立不到一年，需要有志從事物理實驗研究的同學加入實驗組一起玩物理。課後找到季教授，我申請加入了PandaX實驗組。「熊貓計劃」是由一組系列實驗構成的，PandaX-I 和 PandaX-II 也就是一期和二期實驗，均為氙氣液二相時間漂移投影室探測器，目標是對暗物質候選粒子的直接探測，之後有更大型的暗物質探測實驗和無中微子的雙貝塔衰變實驗。不要在意這些細節，總之我們在尋找宇宙中極難捕捉的「幽靈粒子」，暗物質粒子，這是當今粒子物理領域的一個前沿方向。

2012年8月，兩年準備期很快過去，組內十幾位科學家和博士生晝夜鑽研，從零起步的我們迅速跨過技術積累的壁壘，準備前往遠在四川的實驗場地。所有的設備價值不菲，更重要的是那是全實驗組幾年的心血，面對未知的路途和四川現場可能遇到的後勤不足，我們不敢信任運輸公司和任何保險協議。於是，由我押車，陪伴襁褓中的「熊貓」開始了從上海到四川的征程。一路上，兩位司機輪流開車和睡覺，我坐在副駕駛，不斷提醒他們開慢點，開穩一點；在服務區吃飯的時候，叮囑司機把車開到就餐座位的視野範圍內。三天後抵達，PandaX在中國錦屏地下實驗室的故事就正式拉開了序幕。

2012年的「八·三零」特大泥石流。許多道路塌方，村莊被沖毀。

措手不及的當頭棒喝，同年的8月底，錦屏附近區域發生特大泥石流災害。實驗設施尚未成型，學長們不得不去到西昌避難一周。面對未知的生活，我想大家心中都充滿了忐忑。不過漸漸，我們了解到雖然斷水斷電斷網是家常便飯，但那樣的災害實屬罕見，而且我們所駐紮的營地地質條件相當穩定，便漸漸放寬了心，投入了PandaX一期實驗的各系統搭建和調試。這一調試運行，便又是一年半光陰。直到2014年10月，一期實驗告一段落。在PandaX一期實驗中，我不緊不慢的做著自己負責的一塊工作，身邊都是獨當一面的學長，還可以偶爾打打球打打遊戲。抱大腿的光陰回憶起來總是那麼甜美，只可惜學長都是要畢業的......

上海交通大學肖夢嬌博士（現就職於美國馬里蘭大學）是當時實驗室「最粗的大腿」。作為一期實驗的現場負責人，帶領了我們的許多項工作。

2014年，「熊貓」度過了他的童年，學會了基本的道理，作為一隻功夫熊貓，是時候操練一番，站上世界舞台，加入國際競爭了。實驗組委派我負責協調從一期到二期實驗的升級，並且之後委任我作為二期實驗的現場負責人。年底，躊躇滿志的實驗組大部隊來到錦屏，我們認為有了一期實驗積攢的經驗和二期實驗充分的前期研發，製作一個體量大幾倍的探測器不在話下。

擼起袖子加油干！喂，別！袖子還是要放下來，這是千級潔凈室，大哥。

可惜事與願違，探測器經過包括2015年春節在內的三個月緊張的安裝後進入調試運行，發現有漏，氙氣以不可接受的速率泄漏到外真空層並造成損失。

這是二期實驗的第一次失敗，不過沒關係，失敗是成功之母，於是我們推倒重來.......

原來是為我們加工壓力容器的廠商在大法蘭的熱處理工藝上存在瑕疵，殘餘熱應力釋放導致在低溫工作環境中形變和泄漏。說好的中國製造，中國驕傲呢？算了，初級階段嘛……

修復了這個壓力容器泄漏的問題，又過了一個多月，我們發現了探測器出現了奇怪的信號，緊接著經過了兩個月的研究，我們推斷它來自於電極加工的不完美，這種奇怪的信號將干擾到我們對於暗物質的探測，必須修復。

這是實驗的第二次失敗，但是沒關係，畢竟不是同一個問題，多一個成功之母也挺好，下一次一定成功......

這一夜，一位教授和三位博士生在實驗室中拼裝核心探測器主體至凌晨三點。

又過了兩個月，第三次失敗，誰還沒經歷過一些失敗呢，過一過二不過......過一過二過三不過四嘛......

又過了兩個月，出現了一種新的干擾信號，第四次失敗......

上海交通大學肖翔博士（現就職於美國加州大學洛杉磯分校）累倒在潔凈室中。潔凈服不透水汽，一天穿著潔凈服長達16小時極易虛脫。

各種問題在前期預演的時候都沒有出現，但是真上陣一操練，各種問題一次出現一個。每次解決一個問題的周期都是兩三個月，而這所謂的兩三個月，其中有20天是需要全體研究生三班倒將一噸的氙氣從探測器中取回到儲存容器中，或者在解決問題之後將氙氣回填入探測器。

那一天，是2015年的9月26日，開車穿過10千米的隧道，將起早貪黑奮戰了近一年的小夥伴們送回營地休息。我獨自留在車內，內心徹底崩潰了。我感慨自己的無知與無能，古語云一鼓作氣再而衰三而竭，可是四呢？五呢？

我回想過去，國際競爭的壓力確實很大，但我們是不是不應該這麼快節奏的升級進入二期階段？是不是整體實驗設計方案有問題？是不是前期預演並不能達到模擬真實探測器運行的情況？我們是不是應該全盤否定推倒重來？

我不敢想未來，我是不是不該讀這個博士？我是不是不該選這個方向？我的學術生涯是不是就要這樣結束了？我為什麼不聽勸告去轉個程序員或者去銀行找個工作什麼的？

想到這裡，我潸然淚下，趴在方向盤上一動不動哭了不止半小時。過去一年，我的工作不可謂不儘力，而成果卻是四次不成功的探測器運行，沒有採集到任何有意義的數據。

但我不甘心。

我拿起電話打給劉江來教授，我告訴他我還有一個大膽的方案，我要在現場直接對零件進行切削，大幅度改變電場的設計。這會使我們的探測器存在漏光，電場達不到設計的最優強度，液面控制行程變化等問題，但是完成遠比完美更重要。我覺得這樣很可能避免之前出現的各種干擾信號，具有一定的可行性，但風險也很大，幾乎沒有對這種情況的前期預研。我十分清楚，這意味著整個團隊的研究生，又是一個二至三個月的重複周期，其中20天的三班倒和無數個難熬的夜晚，這是一年內第五次嘗試。這意味著教授們要繼續奔波於上海和錦屏，趁一周兩天在交大有課的間隙，飛到西昌到實驗室參與工作，他們要安撫家人並放棄所有約定的旅行和聚會。

但我不甘心，我想他們也不會甘心。

於是，經過幾天的討論甚至是爭辯，團隊優化了我最初的方案，決定再做一次嘗試。

為了節約時間，我們常常讓後勤單位幫忙將飯菜送到10千米外的實驗室。原則上，實驗室為防止誤食，並不允許吃東西，感謝中國錦屏地下實驗室管理者的通融和諒解。

時間來到2015年的11月底，終於，這一次似乎什麼意料之外的問題都沒有出現，我們順利開始了數據的採集。所有人都喜極而泣，那一刻，我想作為一名PandaX人，我第一次嘗到了幸福的滋味。我們不再是搭建一個小探測器學習研究探測技術，而是成功設計、製造並運行了一台世界上最大、最靈敏的暗物質探測器。然而我還是too young too simple, sometimes na?ve了，不久我們便發現另一種不易發現的干擾信號，來自於另一種惰性氣體氪的同位素的放射性。這意味著之前幾年的所有環節中有過一次或多次泄漏事故沒有被察覺，有空氣混入了我們的探測媒介氙氣之中。

第五次失敗......

但是，這一次不是探測器本身的問題，這無疑是一劑強心劑。不過，暗物質是全世界眾多物理學家趨之若鶩的謎題，世界上探測暗物質的實驗分為不同類型，不同探測技術的有幾十家，各有所長。與我們採用類似探測技術的，也是目前在中高質量區域具有靈敏度優勢的實驗有美國主要領導的LUX實驗和美國與歐洲共同主導的XENON實驗。兩家實驗都在如火如荼的開展著，相互爭奪著世界領先的對暗物質參數空間的限制。也就是他們交替領跑著世界上對中高能區暗物質探測的靈敏度。暗物質隨時有可能被發現，科學研究的成果只認第一，不認第二。作為新人，想要打破這兩家的壟斷，我們已經浪費了一年多的時間在調試二期探測器，因此現在必須分秒必爭。於是一噸氙氣被運回上海，在上海交通大學機動學院巨永林教授領導的合作者設計建造的精餾塔的提純之下，歷經一個月，數位研究生的三班倒，氙氣中的氪氣終於降到0.000000001%的濃度以下了。又跨過了一個春節，又是一輪在錦屏的三班倒，我們將氙氣灌入探測器，靜待在線提純系統將氙氣不斷純化使得我們的探測器對光信號和電信號變得越來越透明，越來越靈敏。

但是第六次接踵而至！！！怎麼還有，還有完沒完了.......

但是我們又發現了干擾信號，這一次來自於氙氣。what！？我們不就是用氙氣來測量暗物質么，氙氣自己還能產生干擾信號？是的，「知道真相的我，眼淚掉下來」。研究了國際同行前輩的經驗，對大量的文獻進行研究，我們發現氙氣在來回上海的途中由於不再有岩層的屏蔽，被宇宙射線大量地輻照並激發，因此產生了干擾信號。那麼問題來了，干擾信號來自於氙氣的一種同位素，你要怎麼去掉？這難度堪比隔壁三胖背地裡乾的事啊！這一次，我們也很無奈，只有選擇等待。幸好，它的半衰期是一個月，並且干擾並非特彆強。

2016年3月9日，歷經一年半的數次失敗，PandaX-II正式開始了穩定取數。

2016年7月21日，我與季向東教授一起參加了英國謝菲爾德市舉行的國際暗物質大會。會上我們發布了二期實驗的第一個物理結果，對暗物質存在的參數空間做出了當時最強的限制，與同期發布的LUX實驗的最後一個物理結果相當。當時引起了國際同行的強烈反響，大家都沒有預料到我們會取得世界領先的結果。這一次，「熊貓」終於站上了世界舞台，與世界上最優秀的物理學家們同台競技。

季向東教授正在英國謝菲爾德市的會場內公布PandaX-II的第一個物理結果，靈敏度首次領跑暗物質直接探測。

2016年7月26日，二期實驗首個物理結果的網路預印版上線公布。

2016年8月16日，成果文章被《Physical Review Letters》（物理評論快報）接收。

2016年9月16日，成果論文作為《物理評論快報》的封面文章正式發表。文章的快速接收和發表標誌著「熊貓計劃」二期實驗受到了國際同行的認可。

PandaX-II的第一個物理結果在物理學頂尖的期刊《Physical Review Letters》（物理評論快報）上以封面文章的形式發表。

不過，好景不長。

2017年1月，LUX實驗發布了過去四年運行的結果，超過了PandaX-II實驗公布的靈敏度。

2017年5月，XENON1T實驗發布了他們的首個結果，又超過了LUX的靈敏度。

那「熊貓」在幹嘛呢？

此處響起四川普通話：「好，煩，噥！」心累，你讓我歇會。

在後續的運行期間，氙氣又遭到了污染...... 於是我們又要進行再一次的精餾提純。不過，這一次精餾塔搬到了地下實驗室，這樣氙氣就不會被宇宙射線激發了。

第七次了......不過我們已經學會呵呵了......呵呵.......

隨即，我們展開了現場的三班倒精餾提純。由於跨過春節期間，人力緊張，我與山東大學的博士生燕斌斌值12小時夜班；上海交通大學的博士生崔祥儀和上海應用物理研究所的博士生王秋紅值12小時的日班，從除夕到初七。提純和回填探測器期間又出現了新的問題，與節後歸來的小夥伴們一起，三班倒最終持續了兩個多月。

沒錯，這就是2017年除夕的年夜飯的全部。

2017年4月，PandaX-II實驗恢復了實驗數據的採集。8月8日，季向東教授代表合作組在2017國際高能粒子天體物理大會上公布了熊貓計劃二期的最新結果。

我們，再次取得了世界領先的靈敏度！

2017年8月8日季向東教授在美國俄亥俄州哥倫布市的大會上公布了PandaX-II初步的第二個物理結果，再次超越國際競爭者，靈敏度達到世界領先水平。

五年轉瞬即逝，我見證了這隻「熊貓」在四川大山中的茁壯成長，它的背後，是十幾位世界級科學家和十幾名研究生的悉心照料。他們需要給妻兒解釋為什麼約定的假期又要再次失信；他們需要與長輩解釋為什麼明明人在中國卻好幾年不回家過年；他們要給女朋友解釋為什麼一出差就是幾個月接著幾個月又是幾個月；他們要給自己解釋，人生如此豐富多彩，為什麼要吃這麼多泡麵、速凍水餃、速凍湯圓和工地食堂，為什麼要日復一日、夜復一夜去做這樣一件事，去做一件親朋好友問「你測到暗物質有什麼用」你都答不上來的事？

如果「不曾哭過長夜的人，不足以語人生」，那我可能可以膚淺一語。

我是幸運的。我們出生的時代、國家和家庭，是無法選擇的。但這是一個美好的時代，人類文明早已經足夠發達，人類社會的結構早已可以通過社會分工養活大多數不耕種的其他專業人；這是一個崛起中的國家，她有足夠的氣魄和格局，去做一些僅有長遠收益的投入；我很慶幸來自於一個開明的家庭，它讓我思考我想成為一個什麼樣的人，它讓我去成為一個我想成為的人。

尤其是在基礎科學領域，許多時候，並不是因為「有用」，人類才進行對自然的探索活動。我們的項目極有可能首先直接探測到「暗物質粒子」，回答人類關於宇宙起源的問題，解釋這世界上比常規物質多五倍的看不見的物質究竟是什麼。也有可能若干年後我們的方向被證實是錯誤的，暗物質無法通過這樣的探測方式被捕捉到。但這沒關係，人類對於自然的探索絕非教科書那麼簡練。歷史長河中絕大多數的科研工作都是炮灰，都是試錯，但絕非毫無意義。它告訴後人，在不可數無窮多個探索方向中，有一個看似能有突破的方向很可能走不通。

有人說：並不是熱淚盈眶才叫青春，也不是莽撞熱血才叫年輕。不忘初心，便始終都是年輕的。悲哀的是，多少人把放縱當熱血，並把成熟和自律當做陳腐來嬉笑嘲諷。歲月還未過多流逝之前，他們的身體和精神就已經被掏空，提早告別了青春。

儘管就「熊貓計劃」為例，基礎科研可能99%的過程都是超高強度的體力和腦力勞動伴隨著枯燥、乏味、痛苦和自我懷疑。但是那1%會當凌絕頂的尖峰時刻，簡簡單單「幸福」二字不足以描述人類精神需求中自我實現層面的巨大滿足。

我只是想滿足我的好奇心，也是人類的好奇心。我熱愛這樣的基礎科研工作，熱愛探究自然奧秘的真相。

我是真的很想；是真的，真的熱愛！

2015年我在錦屏現場工作288天，2016年280天，2017年預計也會超過280天，成為了一名不折不扣的山底洞人。我的學術生涯、我的事業起步於這座大山之下的洞室里。

錦屏山隧道東段洞口，即實驗組駐地的黎明。