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中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室模型圖 原子能院供圖

是什么驅(qū)動生成了地球上豐富的元素和數(shù)不清的物種？

自上世紀(jì)30年代以來，人類對元素起源和恒星復(fù)雜演化過程的認(rèn)知取得了顯著進(jìn)展，但迄今仍存在許多亟待破解的科學(xué)難題。

近日，由中國原子能科學(xué)研究院（以下簡稱原子能院）牽頭的我國首個深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)發(fā)布首批4個核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究成果。系列研究取得核天體物理領(lǐng)域的原創(chuàng)性成果，為理解宇宙元素起源和恒星演化提供了重要數(shù)據(jù)，使我國深地核天體物理研究躋身國際先進(jìn)行列。

深地之“光”

該項(xiàng)目首席科學(xué)家、原子能院研究員柳衛(wèi)平說，了解遙遠(yuǎn)星球諸多奧秘的一個好辦法，是利用加速器創(chuàng)建一個迷你宇宙，研究復(fù)雜的天體現(xiàn)象。

科學(xué)家利用這一辦法，知道了宇宙中豐富多彩的星球和元素是經(jīng)歷了138億年的漫長演化形成的，還了解了在恒星演化早期產(chǎn)生了比鋰更輕的元素、中期產(chǎn)生了比鐵更輕的元素、晚期產(chǎn)生了今天自然界的鐵以上的重元素。

不過，其中還有諸多未解之謎，比如從碳到氧的反應(yīng)決定了宇宙中的碳氧含量比，被譽(yù)為“圣杯反應(yīng)”，如何確定該反應(yīng)速率至今令人困惑。原因在于，在天體環(huán)境下，兩個原子核碰撞的速度非常低，這就使得從一個元素轉(zhuǎn)化成另外一個元素的概率非常低。

“如果我們用常規(guī)方法在地面探測到這個概率，就好比在一個萬人歡呼的廣場聽兩個人的竊竊私語。這么一個微小反應(yīng)產(chǎn)生的信號會被大量宇宙射線的噪聲所淹沒?！绷l(wèi)平解釋。

十多年前，為了建造雅礱江流域水電站，水利學(xué)家在四川雅礱江邊的錦屏山2400米深處修建了一條隧道。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這是一個絕佳的深地實(shí)驗(yàn)環(huán)境。因?yàn)?400米的巖石隧道就像一個暗室，能夠牢牢地把宇宙射線的噪聲給擋住。

在國家的支持下，這里建成了目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室。

為更好地開展核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)直接測量研究，原子能院聯(lián)合中科院近代物理研究所、北京師范大學(xué)等，在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室完成深地加速器安裝運(yùn)行。項(xiàng)目加速器平臺的深地建設(shè)得到了中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司、清華大學(xué)和上海交通大學(xué)的全力支持。

步入國際前列

核天體物理是核物理與天體物理融合形成的交叉學(xué)科，主要研究宇宙中化學(xué)元素的起源以及各種核過程如何控制恒星的演化及命運(yùn)。

而基于深地實(shí)驗(yàn)室的天體核反應(yīng)測量能夠提供最基礎(chǔ)和精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。柳衛(wèi)平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在錦屏深地2400米處，建成了研究核天體物理的實(shí)驗(yàn)平臺。經(jīng)過近6年的攻關(guān)，他們研發(fā)出了世界流強(qiáng)最高的深地加速器。

2020年12月26日，強(qiáng)流加速器在中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室成功出束，成為世界上最強(qiáng)流深地加速器。

“有了最強(qiáng)的加速器，相當(dāng)于有了一道最亮的光線，足以看到微小的反應(yīng)。”柳衛(wèi)平說。

科學(xué)家在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室開展了4個核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，分別是：25Mg（p,γ）26Al反應(yīng)取得國際最高精度數(shù)據(jù)；19F（p,αγ）16O反應(yīng)拓展到國際最低能量；13C（α,n）16O反應(yīng)首次完整覆蓋天體物理i—過程能區(qū)；12C（α,γ）16O反應(yīng)測量實(shí)現(xiàn)國際最高靈敏度，向摘取“圣杯”跨出重要一步。

錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目集成了我國極地深地本底環(huán)境和強(qiáng)流低能量加速器先進(jìn)技術(shù)，科學(xué)家自主研制高分辨高效率伽馬探測器，攻克了強(qiáng)流穩(wěn)定運(yùn)行、毫安級核反應(yīng)靶穩(wěn)定性和超低本底環(huán)境建立的難題，取得了若干國際核天體反應(yīng)最精確的數(shù)據(jù)，為解決多年的天體物理國際疑難問題作出了貢獻(xiàn)。

這些工作，使我們國家具備了開展深地核天體物理反應(yīng)直接測量的最“安靜”的環(huán)境、最強(qiáng)的亮度、最高的探測效率，找到了破解宇宙密碼的鑰匙。

“在深地實(shí)驗(yàn)室開展稀有核反應(yīng)事件的直接精確測量是國際公認(rèn)的核天體物理前沿課題，目前國際競爭異常激烈。錦屏深地實(shí)驗(yàn)室?guī)r層對宇宙線的屏蔽效果比國際上的意大利地下核天體實(shí)驗(yàn)室還要好大約100倍?！绷l(wèi)平說。

前路無止境

地下2400米的錦屏實(shí)驗(yàn)室，猶如探索宇宙星空的“發(fā)現(xiàn)之門”。

研究人員驅(qū)車在地底幾千米之下，穿過十幾公里的“時光”隧道，來到在大山深處不知疲倦運(yùn)行著的儀器旁邊，伴隨著原子核信號放大后發(fā)出的微微閃光，就能聆聽宇宙跳動的脈搏。

美國核天體物理聯(lián)合會前主席邁克爾·威徹通過現(xiàn)場連線對錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)行點(diǎn)評，對首批實(shí)驗(yàn)成功給予充分肯定，并表示，這是核天體物理研究取得的重要成果，將推動中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室成為面向世界開放的國家級基礎(chǔ)研究平臺，希望研究人員充分利用這一平臺，在核天體物理的重要問題上作出更多更重要成果。

“我們將會利用深地和國內(nèi)外最有利的條件，繼續(xù)探求元素合成的密碼，探尋重元素合成的路徑，探索宇宙發(fā)出的‘燭光’；我們還會匯集這些線索，利用超級計(jì)算機(jī)模擬宇宙中能量產(chǎn)生和元素合成，破解宇宙重元素產(chǎn)生等一系列關(guān)鍵科學(xué)問題。”柳衛(wèi)平說。（記者 韓揚(yáng)眉）