中核集团:扣响“圣杯”!写在锦屏核天体物理加速器出束并启动实验之际
发表时间:2021-01-25 15:03:34

    “我们从哪里来,到哪里去?”

    对于这一终极拷问的哲学命题,核天体物理学家则把求解之道寄托在核反应¹²C(α,γ)¹⁶O之上。

    1983年诺贝尔物理奖获得者威廉•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,我们已经基本上理解了它们。可是在核天体物理的层面上, 我们还并不理解这些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。

    “圣杯”反应速率直接影响恒星的演化进程,但对其直接测量却十分困难,世界核天体物理界经过半个多世纪的努力,至今也远未达到理论模型要求的精度。以中国原子能科学研究院串列实验室主任柳卫平为首席科学家的锦屏深地核天体物理实验项目科研团队,经过近6年的精心筹备,将向核天体物理研究的制高点发起冲锋。12月26日,锦屏核天体物理加速器出束并启动物理实验,他们将开展关键天体核反应的直接精确测量这一国际公认的核天体物理前沿课题研究,将极有可能扣响“圣杯”,在科学研究的最前沿插上中国的旗帜。

    “无论采用直接还是间接的方式,核天体物理界都做了大量测量,但数据误差范围远离圣杯反应精确值。我们此次实验将尽全力摘取圣杯,实现国际最低能区的直接测量。这将对理解大质量恒星演化和宇宙元素起源有重要意义。”柳卫平说。

 

    圣杯反应是皇冠上的明珠,中国人不能错过摘取它的机会

    可以说,“圣杯”反应是世界核天体物理学家心中的珠穆朗玛峰,都梦想成功登顶。柳卫平也是,自1989年以来已经探索了30多年。

    毋庸置疑,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,即便被大气层阻挡所剩寥寥的宇宙射线也严重干扰核天体物理学家对它的测量。获取精准的实验数据,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。

    之所以世界核天体物理领域很长一段时间以来被意大利科研团队占据领先地位,其中非常重要的原因就是他们拥有位于地下1400米的格兰萨索地下实验室。

    柳卫平曾联系过该实验室,希望过去学习取经,但对方要求研究成果不能署名等等。即使如此,希望一探深地核天体物理研究究竟的柳卫平认为只要能学到知识也答应了,但后来此事依然不了了之。

    可是,柳卫平探寻宇宙奥秘的这丝星火从未熄灭摘,取“圣杯”意志从未消失。为了寻求理想的实验场所,他曾带领科研团队踏遍北京周边的煤矿。在艰难寻觅之中,得知清华大学依托雅砻江水电开发有限公司修建的交通隧道建设地下实验室,柳卫平喜出望外,表示“这可是天赐良机。”

    岩层,是宇宙射线的天然屏蔽层。交通隧道从锦屏山底部穿过。实验室所在之处,最大岩层厚度可达2400多米,宇宙射线通量可以降到地面水平的亿分之一。而且,实验室周围岩石的放射性水平也很低。

    “不可否认,中国锦屏地下实验室是目前国际上宇宙射线通量最低的地下实验室。”柳卫平立即联系清华大学,希望开展借用实验室开展核天体物理研究,获得了应允。后来,柳卫平带领团队申请国家基金委重大项目顺利通过评审。专家们认为,中国锦屏地下实验室的核天体物理关键科学问题研究对于突破元素合成这一世纪性难题无疑具有重要意义。

    ¹²C(α,γ)¹⁶O之所以被称为“圣杯”反应,另外还有一层意思还在于其难度之高,一般科研人员只能望而却步。日本曾专门为一位科学家提供一台加速器独享研究“圣杯”反应,时至今日也未能实现突破。况且,当时的柳卫平团队可以说“一穷二白”,连最基本家伙什都没有,谈何容易?

    殊不知,深地实验设备要求极其高。就拿发生圣杯反应的关键部件C12靶来说,自然环境下,C12的含量达到99%,但是这样的纯度并不能满足实验的要求。但是实验要求必须达到99.999%以上,10万个C12不能超过一个C13,精度很高。

    “这个实验实在太难了,我们团队之前根本不敢碰,决定做是需要十足勇气的。”锦屏深地核天体物理实验项目副总指挥郭冰说,“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,且深地经验几乎为零。虽然拥有锦屏得天独厚的外部条件,但我们还要面临更大的挑战是,实验设备都需要重新研制。”

    “但我们有信心,也有决心。”柳卫平说,“做科研就好比登山。我们已经开展了大量的工作,已经积累了相当厚实的经验,取得了一系列成果。‘圣杯’反应虽然核天体物理学家的皇冠上的明珠,我们当然不能错过摘取它的机会。”

 

锦屏深地实验室是倾听宇宙声音最安静的场所

 

    30年来,在柳卫平的带领下,团队钻研的课题难度越来越大,但信心却越来越足。这次剑指“圣杯”虽然被外界认为是“不可能完成的任务”,但不服输的柳卫平随即立下军令状,“我们能实现”。

    誓言好立兑现难。设备器材研制成为了柳卫平等人登顶前不可逾越的第一座山峰。

    整个项目用时五年。而按照惯例,研制一套地面上设备就可能需要五年时间,更别谈开展实验研究。对于深地设备,可以说,挑战更大。但项目团队如何敢承诺在有限的时间内完成研制与实验呢?

    在郭冰眼里,柳卫平最让他敬佩的一点就是他对事业的执著。对于锦屏深地核天体物理实验项目而言,意大利格兰萨索地下实验室无疑是竞争对手,谁抢先摘取圣杯反应谁将会名留史册,照理说应该避之不及。但是柳卫平专门邀请该实验室专家作为项目国际咨询委员会专家。

    “我就是希望利用他们深厚的深地实验经验为我们挑刺,就好像立了标杆在那,这样反而能够促进我们进取。”柳卫平说,“形象地说,圣杯反应是定海神针,捕捉它,就好比大海捞针,显然靠团队几个人肯定是难以实现的。”

    柳卫平认为,锦屏深地实验室是倾听宇宙声音最安静的场所。项目团队必须要利用好大自然的馈赠物尽其用。而且还必须要集聚世界上最优质的资源,练就独门绝技,共同克之,才有可能摘取“圣杯”反应。

    如今已近花甲之年的柳卫平,谈起圣杯反应、锦屏深地实验项目来激情依然不减当年。也正是因为这股探索科学前沿问题的冲劲儿,感染着大量科学家,纷纷支撑项目开展研究。

    依托中科院近代物理所,成功研制紧凑永磁结构的先进ECR离子源,束流强度可以达到10毫安。这是意大利地下实验室的10倍;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。

    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达到万分之三,处于世界先进水平。原子能院研制的大功率靶,靶上功率达到4kW/cm2,完全满足强流束实验要求。

    正是由于大家的助力,开展实验研究的关键设备均已经完成研制。这为项目团队摘取圣杯奠定了良好的基础。


这就是扣响圣杯的第一缕光

    12月26日,屏幕上一道亮光刺破黑色。

    “这就是扣响圣杯的第一缕光。”柳卫平激动地说道。随后,响亮的掌声在锦屏深地实验室回响震荡。未来不到三个月的时间里,科研团队将在这里开展实验。柳卫平说:“我要感谢我们的团队,他们的确是一支能打硬仗的队伍。”

    从项目立项到设备研制、开展地面实验,他们已经按照计划推进。可以说,扣响圣杯,万事俱备只欠东风,就好比登顶珠峰需要等待适宜的天气一样,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。

    而此刻的锦屏地下实验室,就是一间空间巨大的毛坯房。在这里空旷的地下空间,项目团队必须要在极短的时间内完成设备安装与调试,必须要留出充足的时间给科研团队做实验。因此,他们不得不与时间赛跑。

    从北京到西昌大凉山,相隔2000多公里,不仅要搭乘3个多小时的航班,还要盘旋近3个小时的盘山路。项目团队要将设备从北京房山中国原子能科学研究院拆装到的四川西昌锦屏地下实验室,哪怕一颗螺丝钉都需要从北京运抵过来,不容许有任何散失,任何一个备品备件都会影响计划进度。再加上新冠肺炎疫情的影响,任务艰巨可想而知。

    为此,项目团队成员多次往返北京与西昌之间。坚守在实验室的成员,也常常奋战到凌晨两点才回到营地,第二天天不亮又奔赴现场开展战斗。功夫不负有心人,通过百天大会战,在提前计划节点5天的日子,他们完成了设备的安装与调试。

    “科学研究就是要啃硬骨头,敢于向极限挑战。”柳卫平强调说道。

    对于是否利用这个宝贵的窗口期开展实验,团队争议其实很大。否定的声音认为不可能,因为时间太短,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。”

    毫不夸张地说,他们已经被“逼上梁山”。按照计划,项目需要在2021年结题,如果不能顺利实现,将会极大地影响团队的信誉。

    当然,团队口碑并不是最重要的。科学发现向来只有第一,没有第二。柳卫平项目团队的发力,直接刺激了国际科学团队加大了对圣杯反应的探索。因此,机会和时间愈发宝贵。之于敢拍板,还在于柳卫平综合多年的研究和对团队能力的判断,认为他们能行。

    项目团队在极短的时间内具备时间条件,可以说已经创造的奇迹。但柳卫平清晰认识到,“扣响圣杯并非易事,一切充满未知,但我们要做的就是尽可能把事情做到极致。”