重磅！錦屏深地核天體物理實驗發(fā)布首個實驗成果，探秘深邃的宇宙奧秘

“如果各位前往錦屏深地實驗室，就能體驗到這離天體演化密碼最近的奇妙之旅。穿過地下2400米深處的十幾公里的隧道，在運行著的儀器旁，伴隨著原子核信號放大后發(fā)出的微微閃光，可以去聆聽宇宙跳動的脈搏?！痹诤颂祗w物理領域已經(jīng)探索了30多年的錦屏深地核天體物理實驗項目首席科學家、中國原子能科學研究院（以下簡稱原子能院）研究員柳衛(wèi)平，談起錦屏深地實驗項目，依然兩眼放光，激情不減當年，“當我凌晨一點值守在實驗現(xiàn)場，第一次感覺發(fā)現(xiàn)之門離自己如此之近。”

12月18日，我國首個深地核天體物理實驗項目JUNA——錦屏深地核天體物理實驗發(fā)布首批實驗成果。

圖片丨中國原子能科學研究院

首批發(fā)布的4個核天體物理關鍵反應實驗研究，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，至此，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。

圖片丨中國原子能科學研究院

聚焦核天體物理“圣杯”反應

1983年諾貝爾物理學獎獲得者威廉?福勒曾表示：人體中絕大部分元素是C和O，在化學和生物的層面上，已經(jīng)基本理解了它們?？稍诤颂祗w物理的層面上， 并不理解這些C和O是怎么產(chǎn)生的。因此，該反應被譽為核天體物理界的“圣杯”，也被稱為生命起源的種子，對恒星演化、大質量恒星最終歸宿、宇宙元素豐度甚至生命起源非常重要。

“圣杯”反應也被世界核天體物理學家視為心中的珠穆朗瑪峰。

但要摘得“圣杯”困難重重。直接測量“圣杯”反應獲取的數(shù)據(jù)誤差最小，但該反應極其微弱，能夠屏蔽宇宙射線的實驗場所成為核天體物理學家們摘取“圣杯”的必要條件。

打造傾聽宇宙聲音最合適的環(huán)境

柳衛(wèi)平從未放棄摘取“圣杯”的想法。

2008年世界最大埋深錦屏水電站17.5公里長的交通隧道正式貫通，立刻吸引了柳衛(wèi)平的注意。最大埋深的隧道之所以具有這么大的吸引力，是因為隧道上方2400米厚的巖層好像一塊厚厚的幕布，遮住了宇宙線的光芒，恒星中的核過程在地下重新泛起點點微光。

2015年，中國首個深地核天體物理實驗項目獲得國家自然基金重大項目支持。

在中國錦屏地下實驗室、清華大學、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司的支持下，原子能院牽頭集合中科院近代物理所、北京師范大學等單位，在雅礱江公司錦屏水電站旁的這個世界上最深、最安靜的實驗環(huán)境，建立了一個研究核天體物理的實驗平臺。

錦屏地下實驗室內部

然而僅僅依靠深地對宇宙線的屏蔽是遠遠不夠的。

“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，深地經(jīng)驗幾乎為零?！卞\屏深地核天體物理實驗項目副總指揮、原子能院核物理所所長郭冰說，錦屏實驗設備需要重新研制。

柳衛(wèi)平對科研的熱情，吸引了大量科研人員加入。

中科院近代物理所成功研制出緊湊永磁結構的先進ECR離子源，束流強度可以達到10毫安，這是LUNA（意大利深地核天體實驗平臺）的10倍；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)定性好于萬分之五；原子能院與北京師范大學合作成功研制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；原子能院研制的大功率靶，靶上功率達到4kW/cm2（千瓦/平方厘米），完全滿足強流束實驗要求。

該工作是錦屏深地核天體物理實驗的首個實驗成果。相關文章以封面形式發(fā)表于Science Bulletin 2022年第2期。文章第一單位為中國原子能科學研究院，北京師范大學、中科院近代物理研究所、深圳大學、山東大學等為合作單位。第一作者是蘇俊教授，聯(lián)合通訊作者是李志宏和柳衛(wèi)平研究員。

毛坯房里“搶”出的創(chuàng)新

2020年初，錦屏二期實驗室具備了基本的運行條件，項目團隊終于獲準在2020年9月底至2021年3月初到錦屏地下實驗室開展實驗研究。

此刻的錦屏地下實驗室，就是一間空間巨大的毛坯房。

能否利用這個寶貴的窗口期開展實驗？團隊意見分歧很大。否定的聲音認為時間太短，加速器等設備都是精密儀器，安裝調試都是用年來計算。短短的五個月時間，別說做實驗，實現(xiàn)設備出束就是巨大的挑戰(zhàn)。

在充分聽取團隊意見后，柳衛(wèi)平說道：“這件事必須要做，值得冒險。在柳衛(wèi)平心中，科學發(fā)現(xiàn)從來只有第一，沒有第二。

為在極短的時間內完成設備安裝與調試，留出充足的時間用于科研實驗，項目成員不得不與時間賽跑，多次往返北京與西昌之間。從北京到西昌大涼山，相距2000多公里，除了3個多小時的航程，還有近3個小時的盤山路。項目團隊將設備從北京拆裝到四川西昌錦屏地下實驗室。

“不容許有任何閃失，任何一個備品備件都會影響計劃進度，哪怕一顆螺絲釘，再加上新冠肺炎疫情的影響，任務艱巨可想而知。”郭冰說。

堅守在實驗室的成員，也常常奮戰(zhàn)到凌晨兩點才回到營地，第二天天不亮又奔赴現(xiàn)場開展戰(zhàn)斗。

功夫不負有心人，通過百天大會戰(zhàn)，在提前計劃節(jié)點5天的日子，他們完成了設備的安裝與調試。

2020年12月26日，JUNA強流加速器裝置在錦屏實驗室A1實驗廳出束打靶，屏幕上一道刺破黑色的亮光，被認為是扣響“圣杯”的第一縷光。

隨后成功開展的4個核天體物理關鍵反應的直接測量，取得了令人矚目的創(chuàng)新成果。

對JUNA項目團隊來說，首批實驗取得的創(chuàng)新性的成果，表明團隊研制的最強流深地核天體物理加速器成為該領域具有顯著國際影響力的實驗平臺，中國第一次走向國際核天體物理的舞臺中央，并向著“圣杯”反應邁出了堅實的一步。

延伸閱讀

在浩瀚無垠的宇宙中，恒星經(jīng)歷著形成、演化、死亡的緩慢過程。這些星體發(fā)光發(fā)熱的能量來自其內部發(fā)生的熱核聚變反應，這不斷發(fā)生的核過程為自然界所有化學元素提供了賴以生成的土壤。

核天體物理就是探索這一奇妙過程及其內在規(guī)律的學科，它主要運用核物理知識和規(guī)律闡釋宇宙中各種化學元素及其同位素合成的過程、時間、物理環(huán)境及豐度分布，以及核過程對恒星結構及演化進程的影響。

圖片丨圖蟲創(chuàng)意

核天體物理是基礎科學研究的前沿領域之一。我國物理學長期發(fā)展規(guī)劃中將核天體物理列為重要發(fā)展領域，而基于深地實驗室的天體核反應測量能夠提供最基礎和精確的實驗數(shù)據(jù)。

中國錦屏地下實驗室位于四川省涼山州錦屏山，是目前世界上最深的地下實驗室，垂直巖石覆蓋達2400米。為更好開展核天體物理關鍵反應直接測量研究，中國原子能科學研究院牽頭聯(lián)合中科院近物所、北京師范大學等國內外優(yōu)勢力量，在中國錦屏地下實驗室完成深地加速器安裝運行。2020年12月26日，強流加速器成功出束，成為世界上最強流深地加速器，被習近平總書記贊譽為是“戰(zhàn)略高技術領域取得新跨越”成果之一。

錦屏地下實驗室內部

成果一：25Mg(p,γ)26Al反應取得國際最高精度測量

上世紀八十年代天文觀測在銀河系星際介質中發(fā)現(xiàn)大量26Al，含量約為3倍太陽質量。而26Al壽命不到一百萬年，早期產(chǎn)生的26Al已經(jīng)消亡殆盡，銀河系中如此多的26Al的來源成為天體物理關注熱點。

25Mg(p,γ)26Al反應是恒星中產(chǎn)生26Al的關鍵反應。25Mg(p,γ)26Al作為產(chǎn)生 26Al的關鍵反應對解釋26Al的來源問題具有重要意義。JUNA實驗實現(xiàn)了該反應中起決定作用的92keV共振國際最高精度測量，實驗結果作為國際物理學頂級期刊《科學通報》封面成果發(fā)表。

成果二：19F(p,αγ)16O取得國際最精確反應率數(shù)據(jù)

19F(p,αγ)16O是AGB星演化中的關鍵問題。目前天文觀測發(fā)現(xiàn)AGB星中存在氟超豐現(xiàn)象，氟的豐度比太陽系要高幾十甚至上百倍，標準恒星模型無法解釋這種現(xiàn)象。19F(p,αγ)16O反應的精確測量將有助于解決氟超豐問題。JUNA的實驗首次將測量范圍拓展到天體物理能區(qū)，取得了國際上最精確的反應率數(shù)據(jù)，實驗研究成果發(fā)表在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》并獲編輯推薦。

成果三：13C(α,n)16O反應首次完整覆蓋天體物理i-過程能區(qū)

13C(α,n)16O反應是重要的中子源反應。比鐵重的元素如何合成一直是核天體物理的最重要問題，現(xiàn)在知道大約有一半比鐵重的元素是通過慢速中子俘獲過程（s過程）形成。這一過程中的原料中子就是由13C(α,n)16O反應提供的。該反應的精確測量對于理解重元素的合成具有重要意義。JUNA實驗測量的能量范圍首次完整覆蓋天體物理i-過程能區(qū)，澄清了過去直接測量數(shù)據(jù)3倍的分歧。

成果四：12C(α, γ)16O反應測量實現(xiàn)國際最高靈敏度

12C(α, γ)16O反應是核天體物理實驗中最重要的反應，被譽為核天體物理的“圣杯”。一方面是由于該反應的重要性：直接決定了組成生命最重要的兩種元素，碳和氧在宇宙中的比例；對上至鈾的幾乎所有核素的豐度都有重要的影響；決定了大質量恒星演化的最終命運。另一方面是因為該反應機制復雜，截面極低，實驗測量非常困難。項目實驗測量達到了國際最低能量，接近了天體物理能區(qū)，并且實現(xiàn)了反應測量的最高靈敏度，向摘取“圣杯”跨出重要一步。

我國的錦屏深地實驗室有著得天獨厚的屏蔽條件，巖石厚度比意大利多1000米，宇宙射線的強度小兩個數(shù)量級。我國深地核天體物理團隊在國家基金委、中核集團和中國科學院的支持下，成功研制出流強可達10 mA的加速器裝置。還建成了幾何效率超過90%的BGO伽馬探測器陣列，經(jīng)過冷卻后獲得國際最高能量分辨。相比國際上的深地實驗室，錦屏核天體物理實驗裝置有如下優(yōu)勢：實驗室的本底水平最低，深地加速器的束流強度最大，BGO伽馬探測器陣列的能量分辨好。借助這一優(yōu)勢，研究團隊在2021年1月1日開始進行92 keV共振俘獲反應的測量，經(jīng)過15天夜以繼日的奮戰(zhàn)，獲得了世界上精度最好的測量結果。如圖所示，實驗得到的共振強度誤差為8%，基態(tài)分配因子的誤差為6%，都是世界最精確的實驗結果。

錦屏實驗結果與已有數(shù)據(jù)的比較 圖片來源：Science Bulletin

研究結果表明，在AGB星感興趣的0.1GK溫度下，實驗得到的反應率比國際評價結果大2.4倍，這意味著AGB星能產(chǎn)生更多的26Al。該高精度的反應率數(shù)據(jù)將為研究AGB星的對流模型提高一個很好的約束，也能為解釋球狀星團的元素豐度分布異常提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

綜合來源：科技日報、中國科學雜志社、中核集團、《現(xiàn)代物理知識》等