世界最深地下实验室,发布重磅成果



世界最深地下实验室,发布重磅成果


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科技日报记者 陈瑜
“如果各位前往锦屏深地实验室 , 就能体验到这离天体演化密码最近的奇妙之旅 。 穿过地下2400米深处的十几公里的隧道 , 在运行着的仪器旁 , 伴随着原子核信号放大后发出的微微闪光 , 可以去聆听宇宙跳动的脉搏 。 ”在核天体物理领域已经探索了30多年的锦屏深地核天体物理实验项目首席科学家、中国原子能科学研究院(以下简称原子能院)研究员柳卫平 , 谈起锦屏深地实验项目 , 依然两眼放光 , 激情不减当年 , “当我凌晨一点值守在实验现场 , 第一次感觉发现之门离自己如此之近 。 ”
12月18日 , 我国首个深地核天体物理实验项目JUNA——锦屏深地核天体物理实验发布首批实验成果 。

首批发布的4个核天体物理关键反应实验研究 , 测量灵敏度和统计精度均高于国际同类装置水平 , 达到国际核天体物理直接测量的最大曝光量、最宽能量范围和最高灵敏度 , 至此 , 我国成为世界上第三个具备开展深地核天体物理研究的国家 。

聚焦核天体物理“圣杯”反应 1983年诺贝尔物理学奖获得者威廉?福勒曾表示:人体中绝大部分元素是C和O , 在化学和生物的层面上 , 已经基本理解了它们 。 可在核天体物理的层面上 ,并不理解这些C和O是怎么产生的 。 因此 , 该反应被誉为核天体物理界的“圣杯” , 也被称为生命起源的种子 , 对恒星演化、大质量恒星最终归宿、宇宙元素丰度甚至生命起源非常重要 。
“圣杯”反应也被世界核天体物理学家视为心中的珠穆朗玛峰 。
但要摘得“圣杯”困难重重 。 直接测量“圣杯”反应获取的数据误差最小 , 但该反应极其微弱 , 能够屏蔽宇宙射线的实验场所成为核天体物理学家们摘取“圣杯”的必要条件 。
打造倾听宇宙声音最合适的环境 柳卫平从未放弃摘取“圣杯”的想法 。
2008年世界最大埋深锦屏水电站17.5公里长的交通隧道正式贯通 , 立刻吸引了柳卫平的注意 。 最大埋深的隧道之所以具有这么大的吸引力 , 是因为隧道上方2400米厚的岩层好像一块厚厚的幕布 , 遮住了宇宙线的光芒 , 恒星中的核过程在地下重新泛起点点微光 。
【世界最深地下实验室,发布重磅成果】2015年 , 中国首个深地核天体物理实验项目获得国家自然基金重大项目支持 。
在中国锦屏地下实验室、清华大学、雅砻江流域水电开发有限公司的支持下 , 原子能院牵头集合中科院近代物理所、北京师范大学等单位 , 在雅砻江公司锦屏水电站旁的这个世界上最深、最安静的实验环境 , 建立了一个研究核天体物理的实验平台 。
然而仅仅依靠深地对宇宙线的屏蔽是远远不够的 。
“申请项目之时 , 团队虽然在加速器、探测器、大功率靶、离子源方面具备一定的能力和经验 , 但都局限在地面 , 深地经验几乎为零 。 ”锦屏深地核天体物理实验项目副总指挥、原子能院核物理所所长郭冰说 , 锦屏实验设备需要重新研制 。
柳卫平对科研的热情 , 吸引了大量科研人员加入 。
中科院近代物理所成功研制出紧凑永磁结构的先进ECR离子源 , 束流强度可以达到10毫安 , 这是LUNA(意大利深地核天体实验平台)的10倍;与此同时 , 原子能院成功研制短间隙加速管 , 实现强流束高效率传输 , 并且束流能量的稳定性好于万分之五;原子能院与北京师范大学合作成功研制BGO探测器阵列 , 探测效率达到70% , 分辨率达到国际同类装置最优水平;原子能院研制的大功率靶 , 靶上功率达到4kW/cm2(千瓦/平方厘米) , 完全满足强流束实验要求 。
毛坯房里“抢”出的创新 2020年初 , 锦屏二期实验室具备了基本的运行条件 , 项目团队终于获准在2020年9月底至2021年3月初到锦屏地下实验室开展实验研究 。
此刻的锦屏地下实验室 , 就是一间空间巨大的毛坯房 。
能否利用这个宝贵的窗口期开展实验?团队意见分歧很大 。 否定的声音认为时间太短 , 加速器等设备都是精密仪器 , 安装调试都是用年来计算 。 短短的五个月时间 , 别说做实验 , 实现设备出束就是巨大的挑战 。
在充分听取团队意见后 , 柳卫平说道:“这件事必须要做 , 值得冒险 。 在柳卫平心中 , 科学发现从来只有第一 , 没有第二 。

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