锦屏深地核天体物理实验:在地下2400米点燃“宇宙之光”

中国锦屏地下实验室模型图   原子能院供图

中国锦屏地下实验室模型图   原子能院供图

是什么驱动生成了地球上丰富的元素和数不清的物种?
自上世纪30年代以来,人类对元素起源和恒星复杂演化过程的认知取得了显著进展,但迄今仍存在许多亟待破解的科学难题。
近日,由中国原子能科学研究院(以下简称原子能院)牵头的我国首个深地核天体物理实验项目——锦屏深地核天体物理实验发布首批4个核天体物理关键反应实验研究成果。系列研究取得核天体物理领域的原创性成果,为理解宇宙元素起源和恒星演化提供了重要数据,使我国深地核天体物理研究跻身国际先进行列。
深地之“光”
该项目首席科学家、原子能院研究员柳卫平说,了解遥远星球诸多奥秘的一个好办法,是利用加速器创建一个迷你宇宙,研究复杂的天体现象。
科学家利用这一办法,知道了宇宙中丰富多彩的星球和元素是经历了138亿年的漫长演化形成的,还了解了在恒星演化早期产生了比锂更轻的元素、中期产生了比铁更轻的元素、晚期产生了今天自然界的铁以上的重元素。
不过,其中还有诸多未解之谜,比如从碳到氧的反应决定了宇宙中的碳氧含量比,被誉为“圣杯反应”,如何确定该反应速率至今令人困惑。原因在于,在天体环境下,两个原子核碰撞的速度非常低,这就使得从一个元素转化成另外一个元素的概率非常低。
“如果我们用常规方法在地面探测到这个概率,就好比在一个万人欢呼的广场听两个人的窃窃私语。这么一个微小反应产生的信号会被大量宇宙射线的噪声所淹没。”柳卫平解释。
十多年前,为了建造雅砻江流域水电站,水利学家在四川雅砻江边的锦屏山2400米深处修建了一条隧道。物理学家发现,这是一个绝佳的深地实验环境。因为2400米的岩石隧道就像一个暗室,能够牢牢地把宇宙射线的噪声给挡住。
在国家的支持下,这里建成了目前世界上最深的地下实验室。
为更好地开展核天体物理关键反应直接测量研究,原子能院联合中科院近代物理研究所、北京师范大学等,在中国锦屏地下实验室完成深地加速器安装运行。项目加速器平台的深地建设得到了中国锦屏地下实验室、雅砻江流域水电开发有限公司、清华大学和上海交通大学的全力支持。
步入国际前列
核天体物理是核物理与天体物理融合形成的交叉学科,主要研究宇宙中化学元素的起源以及各种核过程如何控制恒星的演化及命运。
而基于深地实验室的天体核反应测量能够提供最基础和精确的实验数据。柳卫平带领团队在锦屏深地2400米处,建成了研究核天体物理的实验平台。经过近6年的攻关,他们研发出了世界流强最高的深地加速器。
2020年12月26日,强流加速器在中国锦屏地下实验室成功出束,成为世界上最强流深地加速器。
“有了最强的加速器,相当于有了一道最亮的光线,足以看到微小的反应。”柳卫平说。
科学家在锦屏地下实验室开展了4个核天体物理关键反应实验,分别是:25Mg(p,γ)26Al反应取得国际最高精度数据;19F(p,αγ)16O反应拓展到国际最低能量;13C(α,n)16O反应首次完整覆盖天体物理i—过程能区;12C(α,γ)16O反应测量实现国际最高灵敏度,向摘取“圣杯”跨出重要一步。
锦屏深地核天体物理实验项目集成了我国极地深地本底环境和强流低能量加速器先进技术,科学家自主研制高分辨高效率伽马探测器,攻克了强流稳定运行、毫安级核反应靶稳定性和超低本底环境建立的难题,取得了若干国际核天体反应最精确的数据,为解决多年的天体物理国际疑难问题作出了贡献。
这些工作,使我们国家具备了开展深地核天体物理反应直接测量的最“安静”的环境、最强的亮度、最高的探测效率,找到了破解宇宙密码的钥匙。
“在深地实验室开展稀有核反应事件的直接精确测量是国际公认的核天体物理前沿课题,目前国际竞争异常激烈。锦屏深地实验室岩层对宇宙线的屏蔽效果比国际上的意大利地下核天体实验室还要好大约100倍。”柳卫平说。
前路无止境
地下2400米的锦屏实验室,犹如探索宇宙星空的“发现之门”。
研究人员驱车在地底几千米之下,穿过十几公里的“时光”隧道,来到在大山深处不知疲倦运行着的仪器旁边,伴随着原子核信号放大后发出的微微闪光,就能聆听宇宙跳动的脉搏。
美国核天体物理联合会前主席迈克尔·威彻通过现场连线对锦屏深地核天体物理实验室成果进行点评,对首批实验成功给予充分肯定,并表示,这是核天体物理研究取得的重要成果,将推动中国锦屏地下实验室成为面向世界开放的国家级基础研究平台,希望研究人员充分利用这一平台,在核天体物理的重要问题上作出更多更重要成果。
“我们将会利用深地和国内外最有利的条件,继续探求元素合成的密码,探寻重元素合成的路径,探索宇宙发出的‘烛光’;我们还会汇集这些线索,利用超级计算机模拟宇宙中能量产生和元素合成,破解宇宙重元素产生等一系列关键科学问题。”柳卫平说。
(原标题 在地下2400米点燃“宇宙之光”锦屏深地核天体物理实验发布首批成果)

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