五年青春，我成为了一名山底洞人

在一个人短暂的一生中，能有多少个全神贯注的五年，去做好一件事情？

本文经授权转载自微信公号“辅导员娘亲”，原文首发于2017年8月16日

撰文 | 谈安迪

编辑 | 弛木 金庄维

2012年8月16日，我第一次抵达四川，与运送“熊猫”的卡车一起，经过近2500公里的奔波，三天三夜几乎没睡。

距离今天，整整五年。

请让我先啰嗦几句，简单介绍一下故事背景。

我叫谈安迪，是一位实验物理的博士生，很快，将是我师从季向东教授攻读博士学位的第六年。我从事的是暗物质直接探测实验，我们的项目叫做PandaX，中文名为“熊猫计划”。实验场地位于地球—中国—四川省—凉山彝族自治州的一条隧道中，深埋在海拔近4100米的锦屏山。那是一个覆盖着2400多米岩石的极深地下实验室，被称为中国锦屏地下实验室，是由雅砻江水电开发公司和清华大学共建的。

图1. 中国锦屏地下实验室示意图（上左图来自于网络，下排图片来自于新华社）

近期，PandaX实验组发布了二期实验的第二个结果，再次取得了对于暗物质与常规物质自旋无关的散射截面的排除曲线，这一成果世界领先。简单来说，就是对暗物质可能存在的参数空间做出了最强限制，使得不少关于暗物质的理论被证实是错误的。我陪伴这只“熊猫”成长七年了，现在我希望以亲身参与者的身份，跟大家分享这项基础科学研究背后的故事。

入伙“熊猫”，磨刀练兵

2010年9月，那时我还是一名上海交通大学致远学院的大三学生，首次在季向东教授的物理讨论课上，听到了当今物理学关于解决暗物质问题的诸多疑难。暗物质对于解释宇宙的起源，以及宇宙中物质组成的演化非常重要，我深深为之着迷。在得知PandaX成立不到一年，需要有志从事物理实验研究的同学加入实验组一起“玩物理”后，我便在课后找到季教授，申请加入了PandaX实验组。

“熊猫计划”是由一组系列实验构成的：PandaX-I和PandaX-II，也就是一期和二期实验，均为氙气液二相时间漂移投影室探测器，目标是对暗物质候选粒子进行直接探测；之后还有更大型的暗物质探测实验和无中微子的双贝塔衰变实验。总之，我们在寻找宇宙中极难捕捉的“幽灵粒子”——暗物质粒子。这是当今粒子物理领域的一个前沿方向。

2012年8月，两年准备期很快过去。两年间，组内十几位科学家和博士生昼夜钻研，从零起步的我们迅速跨过了技术积累的障碍，接下来，就要准备前往远在四川的实验场地了。所有的设备都价值不菲，更重要的是，那是全实验组几年的心血。面对未知的路途和四川现场可能遇到的后勤不足等问题，我们不敢信任运输公司和任何保险协议。于是，由我押车，陪伴“襁褓中的熊猫”开始了从上海到四川的征程。一路上，两位司机轮流开车和睡觉，我坐在副驾驶，不断提醒他们开慢点，开稳一点，在服务区吃饭的时候，叮嘱司机把车开到就餐座位的视野范围内。三天后，设备顺利抵达，PandaX在中国锦屏地下实验室的故事正式拉开帷幕。

图2. 2012年发生“8•30”特大泥石流，许多道路塌方，一些村庄有部分建筑被冲毁。

谁料甫一开始，便是让人措手不及的当头棒喝。2012年8月底，锦屏附近区域发生特大泥石流灾害。实验设施尚未安装成型，但学长们不得不转移到西昌避难一周。面对未知的生活，我想大家心中都充满了忐忑。不过后来我们了解到，虽然当地断水断电断网是家常便饭，但那样的灾害实属罕见，而且我们所驻扎的营地，其实地质条件相当稳定，大家便渐渐放宽了心，投入到PandaX一期实验各系统的搭建和调试中。

这一调试运行，便又是一年半光阴。直到2014年10月，一期实验才告一段落。在PandaX一期实验中，我不紧不慢地做着自己所负责的工作，由于身边都是独当一面的学长，忙里偷闲还可以偶尔打打球打打游戏。抱大腿的光阴回忆起来总是那么甜美，只可惜学长都是要毕业的……

图3. 上海交通大学肖梦姣博士（现就职于麻省理工学院）是当时实验室“最粗的大腿”。作为一期实验的现场负责人，领导多项工作。

七次失败，两度领先

2014年，“熊猫”度过了他的童年，学会了基本的道理。作为一只“功夫熊猫”，是时候操练一番，站上世界舞台，加入国际竞争了。实验组委派我负责协调从一期到二期实验的升级，之后又委任我为二期实验的现场负责人。2014年底，踌躇满志的实验组大部队来到锦屏，我们认为有了一期实验积攒的经验和二期实验充分的前期研发做保障，制作一个体量大几倍的探测器应当不在话下。

图4. 在千级洁净室中组装探测器。

可惜事与愿违，经过三个月的紧张安装（春节假期也搭了进去），在探测器调试运行时我们发现，氙气以不可接受的速率泄漏到外真空层并造成损失。

这是二期实验的第一次失败，不过没关系，失败是成功之母，于是我们推倒重来.......

图5. 后来发现，失败的原因是设备法兰的热处理工艺上存在瑕疵，残余热应力释放，导致容器在低温工作环境中形变并泄漏。

修复了这个压力容器泄漏的问题，又过了一个多月，我们发现探测器出现了奇怪的信号。紧接着，经过了两个月的研究，我们推断它来自于电极加工的不完美。这种奇怪的信号将干扰到我们对于暗物质的探测，必须修复。

这是实验的第二次失败，但是没关系，毕竟不是同一个问题，多一个“成功之母”也挺好，下一次一定成功……

图6. 这一夜，一位教授和三位博士生在实验室中拼装核心探测器主体至凌晨三点。

谁知过了两个月，第三次失败又来了。谁还没经历过一些失败呢，过一过二不过……过一过二过三不过四嘛……

又过了两个月，出现了一种新的干扰信号，第四次失败……

图7. 上海交通大学肖翔博士（现就职于美国加州大学洛杉矶分校）累倒在洁净室中。洁净服不透水汽，一整天穿着洁净服工作极易虚脱。

探测器出现的各种问题，在前期预演的时候都没有出现，可是上阵一操练，每次都会出现一个问题。而每次解决一个问题的周期，都是两三个月。而在这两三个月中，有20天需要全体研究生三班倒，将一吨的氙气从探测器中取回到储存容器中，或者是在解决问题后将氙气回填入探测器。

2015年9月26日，我开车穿过10千米的隧道，将起早贪黑奋战了近一年的小伙伴们送回营地休息。当我独自留在车里，内心彻底崩溃了。我感慨自己的无知与无能，古语云一鼓作气再而衰三而竭，可是四呢？五呢？

回想过去，同行的国际竞争压力确实很大，但我们是不是不应该这么快节奏地升级进入二期？是不是整体实验设计方案有问题？是不是前期预演并不能达到模拟真实探测器运行的情况？我们是不是应该全盘否定，推倒重来？

我自己呢？我不敢想未来。我是不是不该读这个博士？我是不是不该选这个方向？我的学术生涯是不是就要这样结束了？我为什么不听劝告转去做程序员，或者去银行找个工作什么的？

想到这里，我潸然泪下，趴在方向盘上一动不动哭了不止半小时。过去一年，我的工作不可谓不尽力，而成果却是四次不成功的探测器运行，没有采集到任何有意义的数据。

我不甘心。

我拿起电话打给PandaX的第二负责人、上海交通大学刘江来教授，告诉他，我还有一个大胆的方案：在现场直接对零件进行切削，大幅度改变电场的设计。这会导致我们的探测器存在漏光风险，电场可能达不到设计的最优强度，出现液面控制行程变化等问题。但是，完成远比完美更重要。

我觉得这样极有可能避免之前出现的各种干扰信号，有一定的可行性，但风险也很大，几乎没有任何对这种方案的前期预研。我十分清楚，这意味着整个团队的研究生，又要开始一次二至三个月的重复周期，其中又是20天的三班倒和无数个难熬的夜晚，这是一年内的第五次尝试。这意味着，教授们要继续奔波于上海和锦屏，他们一周内有两天在交大上课，只能趁间隙飞到西昌，到实验室参与工作，他们要安抚家人并放弃所有约定的旅行和聚会。

但我不甘心，我想他们也不会甘心。

于是，经过几天的讨论乃至争辩，团队优化了我最初的方案，决定再做一次尝试。

图8. 为了节约时间，我们常常让后勤单位帮忙将饭菜送到距食堂10千米外的实验室。通常，实验室为防止误食，并不允许吃东西，感谢中国锦屏地下实验室管理者的通融和谅解。

到了2015年11月底，终于，这一次似乎什么意外情况都没有发生，我们顺利开始了数据采集。所有人都喜极而泣，那一刻，我想作为一名PandaX人，我第一次尝到了幸福的滋味。我们不再只是搭建一个小探测器来学习研究探测技术，而是成功设计、制造并运行了一台世界上最大、最灵敏的暗物质探测器。

然而，好景不长，我们便发现了另一种不易发现的干扰信号，它来自于另一种惰性气体——氪的同位素的放射性。这意味着，之前几年的所有环节中，有过一次或多次的泄漏事故没有被察觉，有微量的空气混入了我们的探测媒介氙气之中。

第五次失败......

但是，这一次不是探测器本身的问题，这无疑是一剂安慰剂。不过，暗物质是令全世界众多物理学家趋之若鹜的谜题，世界上探测暗物质的实验分为不同类型，几十家不同探测技术的实验组各有所长。与我们采用类似探测技术的，也是目前在中高质量区域具有灵敏度优势的实验有美国主要领导的LUX实验和美国与欧洲共同主导的XENON实验。这两项实验都在如火如荼开展着，相互争夺着对暗物质参数空间的限制，也就是说，他们交替领跑着世界上对中高能区暗物质探测的灵敏度。暗物质随时有可能被发现，科学研究的成果只认第一，不认第二。

作为新人，又已经浪费了一年多的时间去调试二期探测器，我们想要打破这两家的垄断，现在必须分秒必争。于是，一吨氙气被运回上海，在上海交通大学机械与动力工程学院巨永林教授领导的合作者设计建造的精馏塔的提纯之下，历经一个月、数位研究生的三班倒，氙气中的氪气终于降到0.000000001%的浓度以下了。

又跨过了一个春节，又是一轮在锦屏的三班倒，我们将氙气灌入探测器，静待在线提纯系统将氙气不断纯化，使得我们的探测器对光信号和电信号变得越来越透明，越来越灵敏。

但是第六次失败接踵而至！怎么还有？还有完没完了…….

我们又发现了干扰信号，这一次来自于氙气。What！？我们不就是用氙气来测量暗物质吗？氙气自己还能产生干扰信号？是的，“知道真相的我，眼泪掉下来”。参照国际同行和前辈的经验，通过大量的文献研究，我们发现，氙气在来回上海的途中由于不再有岩层的屏蔽，被宇宙射线大量辐照并激发，因此产生了干扰信号。

那么问题来了，干扰信号来自于氙气的一种同位素，你要怎么去掉？这一次，我们也很无奈，只有选择等待。幸好，它的半衰期约是一个月，并且干扰并非特别强。

2016年3月9日，历经一年半的数次失败，PandaX-II正式开始了稳定取数。

2016年7月21日，我与季向东教授一起参加了在英国谢菲尔德市举行的国际暗物质大会。会上，我们发布了二期实验的第一个物理结果，对暗物质存在的参数空间做出了当时最强的限制，与同期发布的LUX实验的最后一个物理结果相当。这在当时引起了国际同行的强烈反响，大家都没有预料到我们会取得世界领先的结果。这一次，“熊猫”终于站上了世界舞台，与世界上最优秀的物理学家们同台竞技。

图9. 季向东教授正在英国谢菲尔德市的会场内公布PandaX-II的第一个物理结果，灵敏度首次领跑暗物质直接探测。

2016年7月26日，二期实验首个物理结果的网络预印版上线公布。

2016年8月16日，成果文章被 《物理评论快报》（Physical Review Letters）接收。

2016年9月16日，成果论文作为《物理评论快报》的封面文章正式发表。文章的快速接收和发表标志着“熊猫计划”二期实验受到了国际同行的认可。

图10. PandaX-II 的第一个物理结果在物理学顶尖期刊《物理评论快报》上以封面文章的形式发表。

不过，好景不长。

2017年1月，LUX实验发布了过去四年运行的结果，超过了PandaX-II实验公布的灵敏度。

2017年5月，XENON1T实验发布了他们的首个结果，又超过了LUX的灵敏度。

那“熊猫”在干嘛呢？

图11. 此处响起四川普通话：“好，烦，哝！”心累，你让我歇会。

后续运行期间，氙气又遭到了污染……于是，我们又要进行再一次的精馏提纯。不过，这一次精馏塔被搬到了地下实验室，这样氙气就不会被宇宙射线激发了。

第七次了。不过我们已经学会呵呵了……呵呵……

随即，我们展开了现场的三班倒精馏提纯。由于时间跨过春节，人力紧张，我与山东大学的博士生燕斌斌值12小时夜班；上海交通大学的博士生崔祥仪和上海应用物理研究所的博士生王秋红值12小时的日班，从除夕到初七。但是在提纯和回填探测器期间，新的问题又出现了，我们与节后归来的小伙伴们一起，三班倒工作最终持续了两个多月。

图12. 没错，这就是2017年除夕年夜饭的全部。

2017年4月，PandaX-II实验恢复了数据采集。8月8日，季向东教授代表合作组在2017国际高能粒子天体物理大会上，公布了“熊猫计划”二期的最新结果。

我们再次取得了世界领先的灵敏度！

图13. 2017年8月8日，季向东教授在美国俄亥俄州哥伦布市的大会上公布了PandaX-II初步的第二个物理结果，再次超越国际竞争者，灵敏度达到世界领先水平。

我只是想满足我的好奇心

五年转瞬即逝，我见证了这只“熊猫”在四川大山中的茁壮成长，它的背后，是十几位世界级科学家和十几名研究生的悉心照料。他们需要给妻儿解释为什么约定的假期又要失信；他们需要向长辈解释，为什么明明身在中国，却好几年不回家过年；他们要给女朋友解释，为什么一出差就是几个月接着几个月又是几个月；他们要给自己解释，人生如此丰富多彩，为什么要吃这么多压缩饼干、泡面、速冻水饺、速冻汤圆和工地食堂，为什么要日复一日、夜复一夜去做这样一件事，去做一件亲朋好友问“你测到暗物质有什么用”你都答不上来的事？

如果真有所谓“不曾哭过长夜的人，不足以语人生”，那么我或许可以肤浅一语。

我是幸运的。我们无法选择出生的时代、国家和家庭。但这是一个美好的时代，人类文明早已经足够发达，人类社会的结构早已可以通过社会分工，养活大多数不耕种的其他专业人士；这是一个崛起中的国家，她有足够的气魄和格局，去做一些或有长远收益的投入；我很庆幸来自于一个开明的家庭，它让我思考我想成为一个什么样的人，它让我去成为一个我想成为的人。

在基础科学领域，许多时候，并不是因为“有用”，人类才去探索自然。我们的项目极有可能首先直接探测到“暗物质粒子”，回答人类关于宇宙起源的问题，解释这世界上比常规物质多5倍的“看不见”的物质究竟是什么。

也有可能，若干年后我们的方向被证实是错误的，暗物质无法通过这样的探测方式被捕捉到。但这没关系，人类对于自然的探索绝非教科书那么简练。历史长河中，绝大多数的科研工作都是“炮灰”，都是试错，但绝非毫无意义。它告诉后人，在无穷多个探索方向中，有一个看似能有突破的方向很可能走不通。我想，这也是大多数基础科学研究的共性：如果已经知道答案，就无需探索了。

有人说，并不是热泪盈眶才叫青春，也不是莽撞热血才叫年轻。不忘初心，便始终都是年轻的。悲哀的是，多少人把放纵当热血，并把成熟和自律当做陈腐来嬉笑嘲讽。在岁月尚未过多流逝之前，他们的身体和精神就已经被掏空，提早告别了青春。

以“熊猫计划”为例，基础科研可能99%的过程都是超高强度的体力和脑力劳动，伴随着枯燥、乏味、痛苦和自我怀疑。但是那1%“会当凌绝顶”的尖峰时刻，简简单单“幸福”二字，完全不足以描述人类精神需求中那自我实现层面的巨大满足。

我只是想满足我的好奇心，也是人类的好奇心。我热爱这样的基础科研工作，热爱探究自然奥秘的真相。

我是真的很想满足这颗好奇心，是真的热爱这份工作！

2015年，我在锦屏现场工作288天；2016年280天，2017年预计也会超过280天，成为一名不折不扣的“山底洞人”。我的学术生涯和事业，起步于这座大山之下的洞室里。

图14. 锦屏山隧道东段洞口，实验组驻地的黎明。

本故事纯属真事，如有雷同也很正常。这也是我们团队所有人共同的经历，相信也是千千万万基础科研工作者拥有的心路历程。

所以，你，想成为什么样的人？

一个人，能有多少个全神贯注的五年，用日以继夜的训练磨砺自己的技能，用委屈、痛苦和挣扎撑大自己的心胸，去成为那个你想成为的人？

欢迎留言，与我们分享你的故事。

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文章头图及封面图片来源：PandaX

动图来源：PandaX

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