在科幻电影《2012》中，印度科学家在距地面1万米深处的实验室工作，并发现了地球将要毁灭的征兆……虽然这是一部灾难片，况且1万米深的地下实验室目前尚不存在，但许多国家已建有深度上千米的地下实验室。2010年12月12日，清华大学和二滩水电开发有限责任公司共同建设的中国首个极深地下实验室――“中国锦屏山地下实验室”（CJPL）――在四川雅砻江锦屏水电站正式投入使用。该实验室的建成和启用，不仅结束了我国没有极深地下实验室的历史，还标志着我国已经拥有了世界一流的低辐射研究平台，能够自主开展暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。
中国首个地下实验室投入使用
工程技术人员在地下实验室安装暗物质探测器
对于暗物质的研究，是人类认识客观世界的重大课题，它影响着人类的生存和发展。例如，在上个世纪初期，作为前沿科学的量子力学、广义相对论和狭义相对论，它们的研究结果直接导致了半导体、晶体管、集成电路、光纤、卫星与通讯技术的发展，最终有了现在的计算机与信息社会。对于暗物质的研究，一旦有所突破，不仅可能改变人类对于宇宙、天体形成和运动的认识，它还可以衍生和运用到更广的领域，甚至改变人类对原有的时间和空间的认识。
为了开展暗物质的探测研究，清华大学的研究人员曾经参与到韩国地下实验室的建设中。位于韩国襄阳的地下实验室，建在一座抽水蓄能电站地下厂房附近的隧道中，约有700米深，周围几乎没有人居住，地处荒山野岭，条件非常艰苦。在这种情况下，清华大学研究人员在协助韩国同行利用碘化铯探测暗物质的同时，在2003年提出了利用高纯锗探测暗物质的研究计划。与此同时，他们一直没有放弃在国内寻找建设地下实验室的努力。然而，找到合适的极深地下实验室选址并不是那么容易。
极深地下实验室分为两类，一类是利用废弃的矿井，另一类是利用地下隧道。相比矿井而言，隧道在使用上要方便得多，可以直接开车进入。但是，隧道的深度受到山高的限制；对于比较短的隧道而言，还要考虑从山侧穿入的宇宙射线等问题。
四川雅砻江锦屏水电站的建设，为建设我国首个极深地下实验室带来了契机。雅砻江的水流从巴颜喀拉山南麓一路奔腾而下，经过1500多千米的远行，被海拔4000多米高的锦屏山阻挡，急转南下，在峰峦叠障中形成一个U字形的大转弯，长达200多千米，然而直线距离不过17.5千米。尽管锦屏山大河湾东西两端直线距离只有17.5千米，但水头落差竟高达312米，涌动出举世罕见的巨大能量。
为实现水能开发效益最大化、生态保护最完整，水电建设者把大河湾截弯取直，在锦屏山中凿通四条最大深埋2525米、长近17.5千米、洞径13.5米的隧洞引水发电。为了方便水电工程建设，在建设水电站的过程中，锦屏山底修建了两条长17.5千米可以通行汽车的交通隧道，供施工车辆通行，其中一条已经投入使用。这条交通隧道的上方，覆盖着2400多米厚的岩层，是世界第二深的隧道。
2009年5月，清华大学与二滩水电开发有限责任公司签订战略合作协议，决定利用锦屏山隧道垂直岩石覆盖厚度大、围岩放射性含量极低，可为相关实验提供“干净”实验环境的优势，建设中国首个极深地下实验室。
同年8月实验室地址确定。地质构造和岩石取样分析结果表明，所选地点周围岩石整体由大理岩构成，是一个非常理想的实验环境。在二滩公司的协助下，于2010年1月完成了全部的岩石挖掘工作。6月，所有实验室配套工程完工并通过评审和验收，标志着中国锦屏山地下实验室正式建成。12月12日，中国锦屏山地下实验室正式投入使用。
建造地下实验室的“风水宝地”
建成的中国锦屏山地下实验室位于锦屏水电站交通隧道中部，空间容积约4000立方米，包括入口隧道、连接隧道和主实验厅三部分，其中主实验厅长约40米、宽约6.5米、高度为7.5米。主实验厅恒温、恒湿，分为暗物质探测实验区、低本底测量实验区、电子学与信号系统工作区。同时，在位于隧道东端出口的监控楼里，还有一个洞口实验室用于实验数据存储、通讯、设备维护、材料准备与实验人员居住等。洞口实验室采用专用的光纤网络与地下实验室相联，采集并存贮地下实验室各类设备信号数据，与清华大学远程数据中心建立了数据通讯网络，记录、存贮和管理实验数据，并按照实验合作研究要求与国内外合作单位共享实验数据。
国内外专家认为，锦屏山隧道是建造极深地下实验室的“风水宝地”。实验室所在处的岩石，其天然放射性非常低，低于地表正常环境的几十分之一到几百分之一。在地下实验室的上层，是2400多米厚的山体岩石。评价一个地下实验室的最重要参数之一，就是实验室的宇宙射线通量水平。在地面，通常每秒每平方米大约有100多个宇宙射线，高海拔地区会更多一些。锦屏山地下实验室的宇宙线通量，相当于地面宇宙线通量的亿分之一甚至更小，比著名的意大利格朗萨索国家地下实验室低约100倍。对此有专家评价：中国锦屏山地下实验室是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室，也是世界上最优越的探测暗物质的科研环境，有条件成为世界上最好的超低本底实验室之一。
锦屏山地下实验室环境达到了10万级空气净化要求，即每一升空气中含有的大于0.5微米的粉尘少于350个。除利用岩层屏蔽高能量宇宙射线外，锦屏山地下实验室还拥有先进的人工屏蔽装置，以尽可能降低自身含有的微量放射性同位素。同时，为了防止四周岩石内释放放射性气体，实验室内墙上还涂有阻断岩体释放辐射氡气的涂层。比如，在高纯锗探测器屏蔽最外层，是1米厚的聚乙烯，用以阻挡岩石中的中子射线；中间用20厘米厚的铅层屏蔽伽玛光子；里层用10厘米厚的无氧铜屏蔽，最后才是高纯锗探测器的工作空间――一个装有约零下180摄氏度的液态氩的容器。而高纯锗探测器所用的锗最“纯净”，纯度高达99.9999999999%（简称12个9），是目前人类可以得到的纯度最高的晶体材料之一。
由清华大学领导、四川大学、中国原子能科学研究院、南开大学和二滩水电开发有限责任公司参与的中国暗物质实验（China Dark matter EXperiment，CDEX）合作组已将一组探测器安装在地下实验室中，通过“极低能量阈高纯锗阵列探测器”开展暗物质探测实验研究（探测质量在10亿——10000亿电子伏特范围内的暗物质分布状态），为我国未来开展“吨”量级大规模暗物质探测实验奠定基础的同时，建设国际深度最大，集基础物理、岩体力学、地球物理等多学科综合交叉的国家级地下实验室提供国际合作的研究平台。
揭开现代物理学“乌云”之谜
19世纪的最后一天，英国著名物理学家汤姆孙在展望20世纪物理学前景时曾说，物理学美丽而晴朗的天空被“两朵乌云”所笼罩。而此后对这“两朵乌云”的探究，使得量子论和相对论被发现，为物理学研究带来革命性的变革，极大地推进了人类对物质世界的认识。如今，在21世纪现代物理学的晴朗天空中也有着“两朵乌云”―――暗物质和暗能量。而揭开这“两朵乌云”之谜，极有可能导致一场新的物理学革命，促成人类对物质世界和宇宙认识的又一次重大飞跃。
人的肉眼无法直接看到暗物质，它既不发光，也不吸收和反射光，更不能输出任何可以观测的电磁信号。因此，暗物质对所有能测量的光、电场、磁场、强作用（核的能力场）都不起作用。但它有着显著的引力效应，通过引力场我们就能知道暗物质的存在。例如，当遥远星系团的恒星发出的光在“路过”被观测区域时，会被大质量暗物质吸引而发生扭曲，而科学家就是通过这种所谓的“引力透镜”效应来寻找暗物质的踪迹。现代天文学通过引力透镜、宇宙大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的物质大概只占宇宙的4%，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。
由于暗物质几乎不与任何现有物质发生作用，而目前的观测手段也无法发现其踪迹，但怎样才能找到暗物质呢？最初的办法是用天文观测法，然而却无法解答“暗物质是什么”。后来，采取了间接探测和直接探测的办法，前者是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者则是利用暗物质与探测仪器中的靶物质碰撞弹开后导致的靶物质反冲证明暗物质的存在。但直接探测的最大困难是强本底干扰的问题，即大气中存在一种能量很高的射线―――宇宙线粒子――可以穿透很深的地下，是暗物质实验的重要干扰源。
在直接探测实验中，科学家主要用一些高度灵敏的屏蔽探测器进行探测。一般的粒子无法穿过探测器外面的屏蔽，而暗物质粒子只有弱相互作用，因此可以穿过探测器。在多数情况下，既然暗物质粒子有弱相互作用，就存在与探测器内的原子发生碰撞的几率。而碰撞的多少取决于暗物质的密度、质量、碰撞截面和探测器工作介质的质量。因此，为了尽可能减少干扰，必须把探测器深埋在地下实验室中。地下实验室越深，其屏蔽效果越好，就越容易实现高灵敏度探测。
建造地下实验室的科学意义
用于暗物质探测的高纯锗探测器
暗物质的探测实验在国际上已逐渐遍地开花。人类为寻找暗物质的努力已经进行了几十年，尤其是最近几年，寻找暗物质已经成为一项竞争激烈的科研项目，越来越多的研究人员开始涉足这一领域，并建立起10多个深度在几百米到2000多米不等的地下实验室。然而，即便是最好的设备至今也还没能捕捉到一点暗物质的踪迹。当然，期间也曾有过昙花一现的“突破”，不断有科学探测小组声称已经探测到暗物质的信号。1997年，罗马大学的暗物质搜寻实验(DAMA/LIBRA)小组，声称他们是第一个发现暗物质的研究组。2010年2月，芝加哥大学一研究小组宣布，他们也发现了暗物质存在的迹象。但由于这些结果都未能再现，无法得到科学界的认可。
由于极深地下实验室对宇宙线起到的过滤作用，因而有低本底特性而适宜对弱信号的观测，包括对低能宇宙线的屏蔽，进而能够对高能宇宙线进行更好地测量，与加速器互补，具有发现新物理的潜力，不仅可以将粒子物理、天体物理、生命科学、地球科学和工程学等学科的研究推向新的高度，还将极大地促进这些学科的相互融合。
今天物理学的情况，与1980年代末和1990年代初（诞生相对论和量子论）的情形越发显得类似。历史经过百年的轮回，人类对物质世界的认识又一次处在一个十字关口。而暗物质问题便是一个关键的突破口。因此，揭开暗物质之谜将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论以及量子力学之后，人类认识自然规律的又一次重大飞跃。
2008年，欧洲的14个国家、19个基金机构推出了粒子天文学路线图，在列举了7个重要领域中，其中暗物质排在第一位，之后是暗能量、宇宙线、中微子、引力波等。在世界各地的地下实验室里，一场寻找暗物质的科技竞赛正在激烈上演。正因为如此，各国对于暗物质的研究都非常重视，这些我们可以从一些国家的政策评估和行动计划中看到。2006年，美国自然科学基金会、美国宇航局和能源部联合成立了“暗物质研究评估小组”，并且在2007年的报告中指出：“解决暗物质之谜的重要性尤为突出，美国必须立刻加大投入，保持领先地位”，并一再强调暗物质的重要性。
各国建造地下实验室一览表
美国 1966年，美国科学家莱伊·戴维斯为验证暗物质的存在，绞尽脑汁寻找屏蔽宇宙射线的实验场所，最终他选中了南达科他州布莱克矿区深处的霍姆斯特克金矿，在1500米深的废弃矿井里开辟出一个实验室。实验持续了30年，最终探测到太阳中微子的存在。为了纪念这一成就，这一洞穴便以他的名字命名。凭借在物理学取得的突出成绩，戴维斯及其同事约翰·巴赫恰勒分享了2002年诺贝尔物理学奖。
日本 日本东京大学宇宙射线研究所神冈宇宙基本粒子研究中心，自2007年起于岐阜县的神冈矿山建造暗物质检测装置“XMASS”，并于2010年10月建成。该装置架设于距山顶1000米的地底下实验室内，由一个直径10米、高10米的圆柱形水箱和一个能装1吨液氙的检测器构成。检测器是一个装满零下100摄氏度液氙的隔热容器，容器中央是一个安装了642根光电倍增管的60面体，被置于灌有超纯水的水箱中央，水箱内侧面同样设置了许多光电倍增管。当神秘物质进入“XMASS”内，便会与氙原子核发生碰撞并损失部分能量，液氙则根据能量大小的不同，发出强弱不等的光，而这些光会被包围着液氙的光电倍增管所捕捉。
前苏联 从1967年开工至1977年完工，前苏联在北高加索山麓沿水平方向挖了一条隧道，直通安德尔奇山脉的地下深处建成了他们的第一个地下实验室。期间，科学家从乌拉尔运来最为古老、放射性极低的岩块用来制作混凝土。这座距离山脚500米的地下实验室大厅十分宽敞，面积相当于两个室内网球场，一台装有3200个探测器的地下望远镜占据了整个大厅。在距入口3.5千米的隧道最深处摆放着镓锗中微子望远镜，它的工作原理是：当中微子与液态金属镓原子发生作用时会形成放射性锗，相关设备依次可以记录下来。望远镜安装工作于1987年全部完成。
法国 位于法国东部的摩丹地下实验室于1980年代初开始建设，岩石覆盖厚度1600米，地下空间容积3500立方米。其中，最著名的是在实验室内安装了13台大质量高纯锗探测器的低本底测量平台，该平台为世界不同国家和地区的低本底样品提供了高灵敏度测量服务。法国摩丹实验室在地下实验室运行管理、低本底测量等方面都积累了非常丰富的经验。
意大利 格朗萨索国家实验室是意大利国家核物理研究院所属的四大国家实验室之一。深度为1400米，总容积18万立方米，其中单个实验洞室长100米、宽20米、高18米。1982年2月～1984年6月，意大利议会分别通过两个专门法案，授权意大利国家公路局建造该实验室，并于1987年交付使用。由于进出便利、规模大和极好的岩石掩盖，格朗萨索实验室因此成为了世界上对暗物质、太阳中微子以及大量多学科项目研究的重要实验室之一。
建立在2000米岩石覆盖层下的加拿大萨德伯里中微子观测实验室（SNOALAB）