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2019年6月5日 星期三

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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
發(fā)布日期:2022-06-30    發(fā)布:未知

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CO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。

 

201631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

 

20209月底至20213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。

 

20201226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)。20211218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。

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