聆聽宇宙的脈搏世界最強流深地加速器首發(fā)成果

陳瑜

“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米深處十幾公里長的隧道，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?！币呀?jīng)在核天體物理領(lǐng)域探索了30多年的錦屏深地核天體物理實驗項目首席科學(xué)家、中國原子能科學(xué)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(dāng)年，“當(dāng)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。

首批發(fā)布的4個核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)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。

1983年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者威廉·福勒曾表示：人體中絕大部分元素是碳（C）和氧（O），在化學(xué)和生物的層面上，已經(jīng)基本理解了它們。可在核天體物理層面上，并不理解C和O是怎么產(chǎn)生的。該反應(yīng)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(zhì)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(yīng)也被世界核天體物理學(xué)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(yīng)獲取的數(shù)據(jù)誤差最小，但該反應(yīng)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(xué)家們摘取“圣杯”的必要條件。

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，這一消息立刻吸引了柳衛(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(xué)、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研究所、北京師范大學(xué)等單位，在雅礱江公司錦屏水電站旁這個世界上最深、最安靜的實驗環(huán)境中，建立了一個研究核天體物理的實驗平臺。

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，且深地經(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(shè)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。

中科院近代物理研究所成功研制出緊湊永磁結(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，原子能院成功研制的短間隙加速管，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(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;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。

2020年初，錦屏二期實驗室具備了基本的運行條件，項目團隊獲準在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。否定的聲音認為不可能，因為時間太短，加速器等設(shè)備都是精密儀器，安裝調(diào)試都是用年來計算。短短5個月時間，別說做實驗，實現(xiàn)設(shè)備出束就是巨大的挑戰(zhàn)。

在充分聽取團隊意見后，柳衛(wèi)平堅持：“這件事必須要做，值得冒險?！痹谒闹?，科學(xué)發(fā)現(xiàn)從來只有第一，沒有第二。

為在極短的時間內(nèi)完成設(shè)備安裝與調(diào)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，多次往返北京與四川西昌之間。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(shè)備從北京拆裝到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(wù)艱巨可想而知?！惫f。

功夫不負有心人，通過百天大會戰(zhàn)，在提前于計劃節(jié)點5天的日子，他們完成了設(shè)備的安裝與調(diào)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(guān)鍵反應(yīng)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)新性成果，表明團隊研制的世界最強流深地核天體物理加速器成為該領(lǐng)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(yīng)邁出了堅實的一步。