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錦屏深地核天體物理實驗項目：在大山深處仰望星空
為摘取“圣杯”，他們在四川發(fā)現(xiàn)“降噪耳塞”
“我們從哪里來，到哪里去？”這一哲學(xué)問題貫穿人類發(fā)展的始終。自20世紀人類探索的能力達到原子核級別之后，核天體物理學(xué)家就把“生命起源”的求解之道寄托在核反應(yīng)12C(α,γ)16O之上，即從核天體物理的層面上，探索組成人體絕大部分的C和O是如何產(chǎn)生的。由于該反應(yīng)影響到碳氧豐度比這個核天體物理基本問題，為理解大質(zhì)量恒星的演化和元素起源提供新的數(shù)據(jù)，被譽為核天體物理界的“圣杯”。
“圣杯”反應(yīng)速率直接影響恒星的演化進程，但對其直接測量卻十分困難，世界核天體物理界經(jīng)過半個多世紀的努力，至今也遠未達到理論模型要求的精度。為獲取精確的實驗數(shù)據(jù)，原子能院牽頭的 JUNA 項目，聯(lián)合了國內(nèi)外優(yōu)秀的研究群體和科學(xué)家共同參與。“無論采用直接還是間接的方式，核天體物理界都做了大量測量，但數(shù)據(jù)誤差范圍遠離‘圣杯’”。實現(xiàn)國際最低能區(qū)的直接測量，這將對理解大質(zhì)量恒星演化和宇宙元素起源有重要意義。”中國原子能科學(xué)研究院研究員、錦屏深地核天體物理實驗項目首席科學(xué)家柳衛(wèi)平說。
由于“圣杯”反應(yīng)極其微弱，且因為被大氣層阻擋，所剩寥寥的宇宙射線也嚴重干擾核天體物理學(xué)家對它的測量，如同刺耳的噪音掩蓋了真實的宇宙聲音。因此，能夠屏蔽宇宙射線的實驗場所成為核天體物理學(xué)家們摘取“圣杯”的必要條件。意大利科研團隊長期在核天體物理領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，而他們在摘取“圣杯”之路上的優(yōu)勢，就是位于地下1400 米的格蘭薩索地下實驗室。
通過不懈尋覓，柳衛(wèi)平團隊在四川省涼山州的錦屏山發(fā)現(xiàn)了完美的“降噪耳塞”。而位于錦屏山的大山深處的中國錦屏地下實驗室，是目前世界上最深的地下實驗室，垂直巖石覆蓋達2400米，可以將宇宙線通量降到地面水平的千萬分之一至億分之一。
2016年3月1日，錦屏深地核天體物理實驗室的現(xiàn)場建設(shè)在中國錦屏地下實驗室正式啟動。這是國際上首次在深地實驗室開展慢中子俘獲過程關(guān)鍵中子源反應(yīng)的直接測量，將為研究宇宙重元素的產(chǎn)生提供可靠的中子源反應(yīng)數(shù)據(jù)；同時為理解銀河系星際空間中大量鋁-26的起源做出貢獻。
白手起家，研制深地實驗設(shè)備
雖然錦屏地下實驗室得天獨厚的外部條件是“天賜良機”，但想要開啟實驗又談何容易。12C(α,γ)16O 之所以被稱為“圣杯”反應(yīng)，在于其難度之高，一般科研人員只能望而卻步。日本曾專門為一位科學(xué)家提供一臺加速器獨享研究“圣杯”反應(yīng)，時至今日也未能實現(xiàn)突破。而柳衛(wèi)平團隊可以說是白手起家，連最基本實驗設(shè)備都沒有。
與之形成對比的是，深地實驗設(shè)備要求極其高。例如發(fā)生“圣杯”反應(yīng)的關(guān)鍵部件碳-12靶，在自然環(huán)境下，碳-12 的含量達到 99%，但是這樣的純度并不能滿足實驗的要求。實驗要求必須達到 99.999%以上，10萬個碳-12里不能有一個碳-13，精度很高。錦屏深地核天體物理實驗項目副總指揮郭冰曾感慨：“這個實驗實在太難了，我們團隊之前根本不敢碰，決定做是需要十足勇氣的。申請項目之時，團隊雖然在加速器、探測器、大功率靶、離子源方面具備一定的能力和經(jīng)驗，但都局限在地面，且深地經(jīng)驗幾乎為零?，F(xiàn)在我們面臨著實驗設(shè)備都需要重新研制的挑戰(zhàn)?！?/span>
設(shè)備器材研制是向“圣杯”沖鋒的重要關(guān)卡。依托中科院近代物理所，項目團隊歷經(jīng)重重困難，終于成功研制緊湊永磁結(jié)構(gòu)的先進ECR離子源，束流強度可以達到10毫安，這是意大利地下實驗室的10倍；原子能院與北京師范大學(xué)合作成功研制 BGO 探測器陣列，探測效率達到 70%，分辨率達到國際同類裝置最優(yōu)水平。與此同時，原子能院成功研制短間隙加速管，實現(xiàn)強流束高效率傳輸，并且束流能量的穩(wěn)定性達到萬分之三，處于世界先進水平。原子能院研制的大功率靶，靶上功率達到 4 千瓦/平方厘米，完全滿足強流束實驗要求。
集聚最優(yōu)質(zhì)的資源，再加上所有人的共同助力，開展實驗研究的關(guān)鍵設(shè)備終于研制成功，這為項目團隊摘取“圣杯”奠定了良好的基礎(chǔ)。從項目立項到設(shè)備研制、開展地面實驗，團隊按照計劃不斷向前推進。
發(fā)布首批成果，研究步入國際先進
2020年9月底至2021年3月初，在獲準到錦屏地下實驗室開展實驗研究后，團隊要在這5個月之內(nèi)完成設(shè)備安裝與調(diào)試，并留出充足的時間給科研團隊做實驗。時間太短，加速器等設(shè)備都是精密儀器，安裝調(diào)試原本都是按年來計算。短短的5個月時間，別說做實驗，實現(xiàn)設(shè)備出束都是巨大的挑戰(zhàn)。
在如同一間巨大的毛坯房般的地下實驗室，實驗團隊緊鑼密鼓，與時間賽跑著。團隊成員多次往返北京與西昌，將所有設(shè)備從位于北京的原子能院拆裝到四川錦屏地下實驗室。功夫不負有心人，通過百日大會戰(zhàn)，在提前計劃節(jié)點5天之日，設(shè)備的安裝與調(diào)試終于完成。
2020年12月26日，隨著屏幕上一道亮光刺破黑色，錦屏深地核天體物理加速器成功出束，束流強度達到2mA，綜合性能達到國際同類裝置先進水平?！斑@就是叩響‘圣杯’的第一縷光！”錦屏深地實驗室傳來令人振奮的歡呼。這是我國核天體物理研究取得的重大突破，標志著我國完全掌握強流高壓加速器制造技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備和核心技術(shù)實現(xiàn)自主可控。“開展關(guān)鍵天體物理核反應(yīng)的精確測量是核天體物理未來發(fā)展的重要方向，該加速器也將為開展天體物理核反應(yīng)精確測量提供新的頂級平臺。”柳衛(wèi)平介紹道。
加速器成功出束后，團隊利用其開展了多項實驗，基于深地實驗室的天體核反應(yīng)測量，為核天體物理領(lǐng)域提供了最基礎(chǔ)和精確的實驗數(shù)據(jù)。2021年12月18日，錦屏深地核天體物理實驗首批成果發(fā)布，包含 4 個核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實驗研究，其測量靈敏度和統(tǒng)計精度均高于國際同類裝置水平，達到國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量范圍和最高靈敏度。這標志著我國核天體物理實驗研究步入國際先進行列，我國成為世界上第三個具備開展深地核天體物理研究的國家。
“叩響‘圣杯’并非易事，一切充滿未知，但我們要做的就是盡可能把事情做到極致?！比缃瘢\屏項目團隊的發(fā)力，直接刺激了國際科學(xué)團隊加大了對“圣杯”反應(yīng)的探索。中國人對于科學(xué)高峰的攀登，對浩瀚宇宙的努力向往，在未來不會停止。
