科技日报:首次!锦屏深地核天体物理加速器出束
发表时间:2021-01-25 14:23:21

    中国锦屏地下实验室,锦屏深地核天体物理实验(简称JUNA)首席科学家柳卫平调束指令发出,来自锦屏核天体物理加速器的质子束,在高压电场的作用下不断加速,在达到270千电子伏后并引出时,强度达到2毫安,在荧光靶上出现一个白色的光斑。随后标志探测器启动的伽马射线开始增加,现场响起热烈掌声。 

    12月26日,锦屏深地核天体物理实验传佳音:加速器成功出束并开始实验,锦屏深地核天体物理实验正式启动。

    “锦屏加速器和探测器由中核集团原子能院和中科院近代物理所等院校研制,具有自主知识产权,标志着我国已完全掌握深地强流高压加速器技术和实验技术。”中核集团中国原子能科学研究院副院长、JUNA项目负责人柳卫平说,该加速器投运后将成为目前世界上束流强度最高的地下核天体物理实验设施。

 

研究团队部分成员在加速器前合影。

无处不在的核天体物理

    提及核天体物理,大家第一反应是神秘。

    事实上,在不少科幻电影中,核天体物理知识从某种程度上说,是不可或缺的存在。

    比如在电影《2012》中,太阳活动突然加剧,释放出的大量中微子把地核加热熔化,使得地球板块发生漂移,最终引发剧烈的火山爆发和超级大海啸。

    当然,这只是电影中的科学幻想。 

    “中微子非常神秘,由于它具有极强的穿透能力而被称为‘宇宙的信使’,它几乎不与物质发生任何相互作用,甚至每秒钟有50万亿个中微子穿过人体,而我们毫无感觉。中微子性质为何如此奇特,它们是如何产生的,又将如何影响恒星乃至宇宙的演化?”柳卫平说,探索类似这一奇妙过程及其内在规律的学科称为核天体物理,它将研究微观世界的核物理与研究宏观世界的天体物理、天文学融合起来,在极小和极大尺度的物质之间架起了一座桥梁,从而阐释恒星乃至宇宙中发生的纷繁复杂的奇妙现象。 

    浩瀚无垠的宇宙中有无数闪闪发光的恒星,除了太阳以外,其他恒星都远离地球,然而人们在地球上通过肉眼就可以看到的恒星仍达到六七千颗。它们发光发热并照亮宇宙的巨大能量来自何方?更令人好奇的是,构成我们丰富多彩的物质世界的九十多种元素的产生与这些遥远的天体到底有什么神秘的关联?科学家是否有可能在地球上模拟恒星及宇宙的演化?

    柳卫平说,要找到这些问题的答案,需要了解天体环境中发生的核物理过程。它不仅为恒星照亮宇宙提供能量,也是自然界所有化学元素赖以生成的“炼金术士”。我们赖以生存的太阳系、地球,乃至我们人类自己都是天体核过程炮制的产物。

向核天体物理世纪性难题发起攻击

    柳卫平告诉记者,经过大量核物理实验、天文观测和相关理论的研究,核天体物理领域已取得了一系列突破性的重大研究成果,但在理解元素起源及星体演化方面仍存在很多亟待破解的难题。

    2003年,美国国家研究理事会归纳了新世纪物理学的11个重大科学问题,其中两个与核天体物理密切相关:一是中微子的质量是多少,它们是如何影响宇宙演化的?二是从铁到铀的重元素是怎样产生出来的?此外,美国在2007年发布了核科学的长程计划,其中包括两个核天体物理问题:宇宙元素的起源是什么?驱动恒星演化和爆发的核反应是什么?

    “在大山深处仰望星空,我们将有机会在地球上模拟天体演化的过程。”柳卫平介绍,我国锦屏山深地核天体物理实验平台的目标,是把恒星平稳演化阶段关键反应的直接测量推进到天体物理能区。 

    2014年,该项计划获得国家自然基金委重大项目支持。

锦屏深地核天体物理加速器示意图。

    2014年11月28日,美国《科学》杂志报道了中国锦屏地下实验室( CJPL)的进展和深地核天体物理实验计划JUNA。文章中说道:“JUNA计划将重现并研究恒星中产生能量的核过程和宇宙中如何合成氢、氦以外的化学元素;深地环境可以屏蔽宇宙射线带长的本底干扰,为研究人员测量稀有事件提供了有利条件;与其他实验计划相比,JUNA项目具有更优越的地理环境和更强大的加速器实验装置。” 

    CJPL以锦屏二滩水电工程的两条约17公里长的水平交通道为基础,其覆盖岩层厚达2400多米,居世界之首。隧道中宇宙射线的通量比意大利格兰萨索地下实验室低约100倍;而且周围主要是放射性本底极低的大理岩。此外,隧道中同时建有道路,可以非常方便地到达实验室内部,这为建设深地实验室提供了绝佳的条件。

中国锦屏地下实验室隧道入口。

    之前,已有清华大学CDEX和上海交通大学PandaX两个探寻暗物质的实验项目在CJPL运行。

    柳卫平说,JUNA实验将在CJPL的1个实验厅中进行,将分为四大课题展开。柳卫平最期待的是天体演化中的重要反应,被誉为核天体物理圣杯的¹²C(α,γ)¹⁶O反应。

    “该反应截对上至铁的中等质量核素的合成和大质量恒星后期的演化进程有决定性的影响。”柳卫平说,由于该反应在伽莫夫能区截面极低(10-17barn),直接测量十分困难,目前该反应在伽莫夫能区的截面值仍远未达到理论模型要求的精度。借助锦屏实验室的超低本底环境,同时利用锦屏JUNA实验平台提供的高强束流,课题将首次开展该反应在伽莫夫能区附近的直接测量,这对于理解核天体物理元素合成这一世纪性难题无疑具有重要意义。