聆聽宇宙的脈搏世界最強流深地加速器首發成果

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出的微微閃光，可以去聆聽宇宙跳動的脈搏。”已經在核天體物理領域探索了30多年的錦屏深地核天體物理實驗項目首席科學家、中國原子能科學研究院（以下簡稱原子能院）研究員柳衛平，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場，第一次感覺發現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布首批實驗成果。

首批發布的4個核天體物理關鍵反應實驗研究，測量靈敏度和統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），在化學和生物的層面上，已經基本理解了它們。可在核天體物理層面上，并不理解C和O是怎么產生的。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”反應獲取的數據誤差最小，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。

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驗，但都局限在地面，且深地經驗幾乎為零。”錦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，原子能院成功研制的短間隙加速管，實現強流束高效率傳輸，并且束流能量的穩定性好于萬分之五;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，加速器等設備都是精密儀器，安裝調試都是用年來計算。短短5個月時間，別說做實驗，實現設備出束就是巨大的挑戰。

在充分聽取團隊意見后，柳衛平堅持：“這件事必須要做，值得冒險。”在他心中，科學發現從來只有第一，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，任務艱巨可想而知。”郭冰說。

功夫不負有心人，通過百天大會戰，在提前于計劃節點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新成果。

對JUNA項目團隊來說，首批實驗取得的創新性成果，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。