科技日報記者 陳瑜

“如果各位前往錦屏深地實驗室，就能體驗到離天體演化密碼最近的奇妙之旅。穿過地下2400米深處的十幾公里的隧道，在運行著的儀器旁，伴隨著原子核信號放大后發(fā)出的微微閃光，可以去聆聽宇宙跳動的脈搏。”已經(jīng)在核天體物理領(lǐng)域已經(jīng)探索了30多年的錦屏深地核天體物理實驗項目首席科學(xué)家、中國原子能科學(xué)研究院（以下簡稱原子能院）研究員柳衛(wèi)平，談起錦屏深地實驗項目，依然兩眼放光，激情依然不減當(dāng)年，“當(dāng)我凌晨一點值守在實驗現(xiàn)場，第一次感覺發(fā)現(xiàn)之門離自己如此之近。”

12月18日，我國首個深地核天體物理實驗項目——錦屏深地核天體物理實驗發(fā)布首批實驗成果。

首批發(fā)布的4個核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)實驗研究，測量靈敏度和統(tǒng)計精度均高于國際同類裝置水平，達(dá)到國際核天體物理直接測量的最大曝光量、最寬能量范圍和最高靈敏度，至此，我國成為世界上第三個具備開展深地核天體物理研究的國家。

聚焦核天體物理“圣杯”反應(yīng)

1983年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者威廉?福勒曾表示：人體中絕大部分元素是C和O，在化學(xué)和生物的層面上，已經(jīng)基本理解了它們。可在核天體物理的層面上，并不理解這些C和O是怎么產(chǎn)生的。因此，該反應(yīng)被譽(yù)為核天體物理界的“圣杯”，也被稱為生命起源的種子，對恒星演化、大質(zhì)量恒星最終歸宿、宇宙元素豐度甚至生命起源非常重要。

“圣杯”反應(yīng)也被世界核天體物理學(xué)家視為心中的珠穆朗瑪峰。

但要摘得“圣杯”困難重重。直接測量“圣杯”反應(yīng)獲取的數(shù)據(jù)誤差最小，但該反應(yīng)極其微弱，能夠屏蔽宇宙射線的實驗場所成為核天體物理學(xué)家們摘取“圣杯”的必要條件。

打造傾聽宇宙聲音最合適的環(huán)境

可是，柳衛(wèi)平從未放棄摘取“圣杯”的想法。

2008年世界最大埋深錦屏水電站17.5公里長的交通隧道正式貫通，立刻吸引了柳衛(wèi)平的注意。最大埋深的隧道之所以具有這么大的吸引力，是因為隧道上方2400米厚的巖層好像一塊厚厚的幕布，遮住了宇宙線的光芒，恒星中的核過程在地下重新泛起點點微光。

2015年，中國首個深地核天體物理實驗項目獲得國家自然基金重大項目支持。

在中國錦屏地下實驗室、清華大學(xué)、雅礱江流域水電開發(fā)有限公司的支持下，原子能院牽頭集合中科院近物所、北京師范大學(xué)等單位，在雅礱江公司錦屏水電站旁的這個世界上最深、最安靜的實驗環(huán)境，建立了一個研究核天體物理的實驗平臺。

然而僅僅依靠深地對宇宙線的屏蔽是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

“申請項目之時，團(tuán)隊雖然在加速器、探測器、大功率靶、離子源方面具備一定的能力和經(jīng)驗，但都局限在地面，且深地經(jīng)驗幾乎為零。”錦屏深地核天體物理實驗項目副總指揮、原子能院核物理所所長郭冰說，錦屏實驗設(shè)備需要重新研制。

柳衛(wèi)平對科研的熱情，吸引了大量科研人員加入。

中科院近代物理所成功研制出緊湊永磁結(jié)構(gòu)的先進(jìn)ECR離子源，束流強(qiáng)度可以達(dá)到10毫安，這是LUNA（意大利深地核天體實驗平臺）的10倍；與此同時，原子能院成功研制短間隙加速管，實現(xiàn)強(qiáng)流束高效率傳輸，并且束流能量的穩(wěn)定性好于萬分之五；原子能院與北京師范大學(xué)合作成功研制BGO探測器陣列，探測效率達(dá)到70%，分辨率達(dá)到國際同類裝置最優(yōu)水平；原子能院研制的大功率靶，靶上功率達(dá)到4kW/cm2（千瓦/平方厘米），完全滿足強(qiáng)流束實驗要求。

毛坯房里“搶”出的創(chuàng)新

2020年初，錦屏二期實驗室具備了基本的運行條件，項目團(tuán)隊終于獲準(zhǔn)在2020年9月底至2021年3月初到錦屏地下實驗室開展實驗研究。

此刻的錦屏地下實驗室，就是一間空間巨大的毛坯房。

能否利用這個寶貴的窗口期開展實驗？團(tuán)隊意見分歧很大。否定的聲音認(rèn)為不可能，因為時間太短，加速器等設(shè)備都是精密儀器，安裝調(diào)試都是用年來計算。短短的五個月時間，別說做實驗，實現(xiàn)設(shè)備出束就是巨大的挑戰(zhàn)。

在充分聽取團(tuán)隊意見后，柳衛(wèi)平說道：“這件事必須要做，值得冒險。在柳衛(wèi)平心中，科學(xué)發(fā)現(xiàn)從來只有第一，沒有第二。”

為在極短的時間內(nèi)完成設(shè)備安裝與調(diào)試，留出充足的時間用于科研實驗，項目成員不得不與時間賽跑，多次往返北京與西昌之間。從北京到西昌大涼山，相距2000多公里，除了3個多小時的航程，還有近3個小時的盤山路。

項目團(tuán)隊將設(shè)備從北京拆裝到四川西昌錦屏地下實驗室。“不容許有任何散失，任何一個備品備件都會影響計劃進(jìn)度，哪怕一顆螺絲釘，再加上新冠肺炎疫情的影響，任務(wù)艱巨可想而知。”郭冰說。

堅守在實驗室的成員，也常常奮戰(zhàn)到凌晨兩點才回到營地，第二天天不亮又奔赴現(xiàn)場開展戰(zhàn)斗。

功夫不負(fù)有心人，通過百天大會戰(zhàn)，在提前計劃節(jié)點5天的日子，他們完成了設(shè)備的安裝與調(diào)試。

2020年12月26日，JUNA強(qiáng)流加速器裝置在錦屏實驗室A1實驗廳出束打靶，屏幕上一道刺破黑色的亮光，被認(rèn)為是扣響“圣杯”的第一縷光。

隨后成功開展的4個核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)的直接測量，取得了令人矚目的創(chuàng)新成果。

對JUNA項目團(tuán)隊來說，首批實驗取得的創(chuàng)新性的成果，表明團(tuán)隊研制的最強(qiáng)流深地核天體物理加速器成為該領(lǐng)域具有顯著國際影響力的實驗平臺，中國第一次走向國際核天體物理的舞臺中央，并向著“圣杯”反應(yīng)邁出了堅實的一步。

（圖片來源：原子能院）

關(guān)鍵詞： 加速器 最強(qiáng) 成果