為摘取“圣杯”，他們?cè)谒拇òl(fā)現(xiàn)“降噪耳塞”

“我們從哪里來(lái)，到哪里去？”這一哲學(xué)問(wèn)題貫穿人類(lèi)發(fā)展的始終。自20世紀(jì)人類(lèi)探索的能力達(dá)到原子核級(jí)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(gè)核天體物理基本問(wèn)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(yù)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(jìn)程，但對(duì)其直接測(cè)量卻十分困難，世界核天體物理界經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力，至今也遠(yuǎn)未達(dá)到理論模型要求的精度。為獲取精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，原子能院牽頭的 JUNA 項(xiàng)目，聯(lián)合了國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的研究群體和科學(xué)家共同參與?！盁o(wú)論采用直接還是間接的方式，核天體物理界都做了大量測(cè)量，但數(shù)據(jù)誤差范圍遠(yuǎn)離‘圣杯’”。實(shí)現(xiàn)國(guó)際最低能區(qū)的直接測(cè)量，這將對(duì)理解大質(zhì)量恒星演化和宇宙元素起源有重要意義?！敝袊?guó)原子能科學(xué)研究院研究員、錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首席科學(xué)家柳衛(wèi)平說(shuō)。

由于“圣杯”反應(yīng)極其微弱，且因?yàn)楸淮髿鈱幼钃?，所剩寥寥的宇宙射線也嚴(yán)重干擾核天體物理學(xué)家對(duì)它的測(cè)量，如同刺耳的噪音掩蓋了真實(shí)的宇宙聲音。因此，能夠屏蔽宇宙射線的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在核天體物理領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，而他們?cè)谡　笆ケ敝飞系膬?yōu)勢(shì)，就是位于地下1400 米的格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室。

通過(guò)不懈尋覓，柳衛(wèi)平團(tuán)隊(duì)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(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，是目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，可以將宇宙線通量降到地面水平的千萬(wàn)分之一至億分之一。

2016年3月1日，錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正式啟動(dòng)。這是國(guó)際上首次在深地實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展慢中子俘獲過(guò)程關(guān)鍵中子源反應(yīng)的直接測(cè)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(shí)為理解銀河系星際空間中大量鋁-26的起源做出貢獻(xiàn)。

白手起家，研制深地實(shí)驗(yàn)設(shè)備

雖然錦屏地下實(shí)驗(yàn)室得天獨(dú)厚的外部條件是“天賜良機(jī)”，但想要開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)又談何容易。12C(α,γ)16O 之所以被稱(chēng)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(zhuān)門(mén)為一位科學(xué)家提供一臺(tái)加速器獨(dú)享研究“圣杯”反應(yīng)，時(shí)至今日也未能實(shí)現(xiàn)突破。而柳衛(wèi)平團(tuán)隊(duì)可以說(shuō)是白手起家，連最基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備都沒(méi)有。

與之形成對(duì)比的是，深地實(shí)驗(yàn)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(dá)到 99%，但是這樣的純度并不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求。實(shí)驗(yàn)要求必須達(dá)到 99.999%以上，10萬(wàn)個(gè)碳-12里不能有一個(gè)碳-13，精度很高。錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副總指揮郭冰曾感慨：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)在太難了，我們團(tuán)隊(duì)之前根本不敢碰，決定做是需要十足勇氣的。申請(qǐng)項(xiàng)目之時(shí)，團(tuán)隊(duì)雖然在加速器、探測(cè)器、大功率靶、離子源方面具備一定的能力和經(jīng)驗(yàn)，但都局限在地面，且深地經(jīng)驗(yàn)幾乎為零?，F(xiàn)在我們面臨著實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)重重困難，終于成功研制緊湊永磁結(jié)構(gòu)的先進(jìn)ECR離子源，束流強(qiáng)度可以達(dá)到10毫安，這是意大利地下實(shí)驗(yàn)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(cè)器陣列，探測(cè)效率達(dá)到 70%，分辨率達(dá)到國(guó)際同類(lèi)裝置最優(yōu)水平。與此同時(shí)，原子能院成功研制短間隙加速管，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流束高效率傳輸，并且束流能量的穩(wěn)定性達(dá)到萬(wàn)分之三，處于世界先進(jìn)水平。原子能院研制的大功率靶，靶上功率達(dá)到 4 千瓦/平方厘米，完全滿(mǎn)足強(qiáng)流束實(shí)驗(yàn)要求。

集聚最優(yōu)質(zhì)的資源，再加上所有人的共同助力，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵設(shè)備終于研制成功，這為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)摘取“圣杯”奠定了良好的基礎(chǔ)。從項(xiàng)目立項(xiàng)到設(shè)備研制、開(kāi)展地面實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)按照計(jì)劃不斷向前推進(jìn)。

發(fā)布首批成果，研究步入國(guó)際先進(jìn)

2020年9月底至2021年3月初，在獲準(zhǔn)到錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究后，團(tuán)隊(duì)要在這5個(gè)月之內(nèi)完成設(shè)備安裝與調(diào)試，并留出充足的時(shí)間給科研團(tuán)隊(duì)做實(shí)驗(yàn)。時(shí)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(lái)計(jì)算。短短的5個(gè)月時(shí)間，別說(shuō)做實(shí)驗(yàn)，實(shí)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(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)緊鑼密鼓，與時(shí)間賽跑著。團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室。功夫不負(fù)有心人，通過(guò)百日大會(huì)戰(zhàn)，在提前計(jì)劃節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度達(dá)到2mA，綜合性能達(dá)到國(guó)際同類(lèi)裝置先進(jìn)水平?！斑@就是叩響‘圣杯’的第一縷光！”錦屏深地實(shí)驗(yàn)室傳來(lái)令人振奮的歡呼。這是我國(guó)核天體物理研究取得的重大突破，標(biāo)志著我國(guó)完全掌握強(qiáng)流高壓加速器制造技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備和核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主可控?！伴_(kāi)展關(guān)鍵天體物理核反應(yīng)的精確測(cè)量是核天體物理未來(lái)發(fā)展的重要方向，該加速器也將為開(kāi)展天體物理核反應(yīng)精確測(cè)量提供新的頂級(jí)平臺(tái)?！绷l(wèi)平介紹道。

加速器成功出束后，團(tuán)隊(duì)利用其開(kāi)展了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，基于深地實(shí)驗(yàn)室的天體核反應(yīng)測(cè)量，為核天體物理領(lǐng)域提供了最基礎(chǔ)和精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2021年12月18日，錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)首批成果發(fā)布，包含 4 個(gè)核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，其測(cè)量靈敏度和統(tǒng)計(jì)精度均高于國(guó)際同類(lèi)裝置水平，達(dá)到國(guó)際核天體物理直接測(cè)量的最大曝光量、最寬能量范圍和最高靈敏度。這標(biāo)志著我國(guó)核天體物理實(shí)驗(yàn)研究步入國(guó)際先進(jìn)行列，我國(guó)成為世界上第三個(gè)具備開(kāi)展深地核天體物理研究的國(guó)家。

“叩響‘圣杯’并非易事，一切充滿(mǎn)未知，但我們要做的就是盡可能把事情做到極致?！比缃?，錦屏項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的發(fā)力，直接刺激了國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)加大了對(duì)“圣杯”反應(yīng)的探索。中國(guó)人對(duì)于科學(xué)高峰的攀登，對(duì)浩瀚宇宙的努力向往，在未來(lái)不會(huì)停止。